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Modular floor slabs must be subdivided into prefabricable, transportable segments. This slab segmentation process conventionally uses a rectangular pattern, particularly for timber buildings. Regular segmentation patterns and strict column grids are ideal for rectangular building shapes, but restrict timber buildings to only some architectural uses, and are unideal for urban infill. Unfortunately, planning and constructing multi-storey wood buildings without a strict grid is still challenging. There is therefore a conflict between the desired column placement and the constraints imposed by building systems. This article investigates novel methods for segmenting timber floors supported by irregular column layouts. It proposes six different segmentation methods that are informed through Co-Design by structural, material waste, and transportation requirements. Co-Design allows for the direct integration and automated feedback of such diverse criteria into the early building design phase. These methods are based on three well-known computational approaches: Single-Objective Optimisation, Parametric Modelling, and Agent-Based Modelling. They could also be applied to other non-timber prefabricated floor systems. The segmentation methods are demonstrated on two example floor slabs with irregular column layouts, one with a rectilinear and the other with an irregular outline. The methods are compared using quantitative proxies for cost, fabrication time, architectural adaptability, and assembly complexity. More benchmark testing is needed, but initial results showed that the most efficient segmentations cannot adapt to irregular layouts, emphasising the need for a more adaptable approach to modular timber construction.

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The utilization in architecture of computational design and digital fabrication, coupled with the exploration of new material systems, brings the potential to break with conventional ways of building. However, these emerging nonstandard structures also demand new ways of designing and proving the structure’s integrity and safety. This paper aims to develop an integrative structural design methodology and workflow to design, optimize, and validate nonstandard building systems by combining a multiscale and digital-physical approach. The methods are showcased with coreless filament winding (CFW) structures, an additive manufacturing method representative of nonstandard building systems made possible by robotic fabrication. The results demonstrate the potential of this methodology to shorten the gap between research and industry, facilitating the realization of innovative structures.

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Climate change requires the economical use of all raw materials, including renewable construction materials such as timber. The aim of this study is to understand the interdependencies between structural and nesting performance to define the segmentation method that uses the least raw material. To do this, six segmentation methods are compared for 16 floor plans. Based on these simulations the amount of raw material needed per project is estimated for two timber building systems: one solid and the other hollow. Two of the developed segmentation methods are competitive with the commonly used regular segmentation method in terms of their raw material use. The overall performance however is dependent on the column layout, the boundary shape of the floor plan, and the chosen building system.

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To meet climate change goals and respond to increased global urbanisation, the building industry needs to improve both its building technology and its design methods. Constrained urban environments and building stock extensions are challenges for standard timber construction. Co-design promises to better integrate disciplines and processes, promising smaller feedback loops for design iteration and building verification. This article describes the integrated design, fabrication, and construction processes of a timber building prototype as a case study for the application of co-design methods. Emphasis is placed on the development of design and engineering methods, fabrication and construction processes, and materials and building systems. The development of the building prototype builds on previous research in robotic fabrication (including prefabrication, task distribution, and augmented reality integration), agent-based modelling (ABM) for the design and optimisation of structural components, and the systematisation of timber buildings and their components. The results presented in this article include a functional example of co-design from which best practises may be extrapolated as part of an inductive approach to design research. The prototype, with its co-designed process and resultant flat ceilings, integrated services, wide spans, and design adaptability for irregular column locations, has the potential to expand the design potential of multi-storey timber buildings.

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Coreless filament winding extends established industrial processes, enabling the fabrication of building parts with minimal formwork. Since the part's final geometry is unknown until completed, it creates uncertainties for design and engineering. Existing architectural design workflows are insufficient, and industrial software packages cannot capture the complexity of self-deforming fibres to model complex fibre layups. This research introduces a feedback-based computational method conceived as four development cycles to design and evaluate fibre layups of large-scale architectural building components, and a multi-scalar digital-physical design and evaluation toolset to model and evaluate them at multiple resolutions. The universal applicability of the developed methods is showcased by two different architectural fibre structures. The results show how the systematization of methods and toolset allow for increased design flexibility and deeper integration of interdisciplinary collaborators. They constitute an important step towards a consolidated co-design methodology and demonstrate the potential to simultaneously co-evolve design and evaluation methods.

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The building industry needs to innovate towards a more sustainable future and can do so through a combination of more renewable material choices and less wasteful fabrication processes. To address these issues, a hybrid material and fabrication system was developed using laminated timber veneer and natural fibre-reinforced composites (NFRPs), two materials that are leveraged for their potential of strategic material placement in additive processes towards programmed material behaviour and performance. The main contribution is in the hybrid fabrication approach, using thin, bent laminated veneer as an embedded frame for coreless filament winding of NFRP, which removes the need for temporary, wasteful formwork that is typically required to achieve structurally performative bent timber or FRP elements. Integrative methods are developed for the design, simulation, and fabrication of a rocking chair prototype that illustrates the architectural potential of the developed fabrication approach.

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Currently, there is a tendency to use Islamic Geometric Patterns (IGPs) as important identities and cultural elements of building design in the Middle East. Despite high demand, lack of information about the potential of IGPs principles have led to formal inspiration in the design of existing buildings. Many research studies have been carried out on the principles of IGPs. However, comprehensive studies relating to new possibilities, such as structure-based, sustainablebased, and aesthetic-based purposes, developed by computer science and related technologies, are relatively rare. This article reviews the state-of-the-art knowledge of IGPs, provides a survey of the main principles, presents the status quo, and identifies gaps in recent research directions. Finally, future prospects are discussed by focussing on different aspects of the principles in accordance with collected evidence obtained during the review process.

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The linear design workflow for structural systems, involving a multitude of iterative loops and specialists, obstructs disruptive innovations. During design iterations, vast amounts of data in different reference systems, origins, and significance are generated. This data is often not directly comparable or is not collected at all, which implies a great unused potential for advancements in the process. In this paper, a novel workflow to process and analyze the data sets in a unified reference frame is proposed. From this, differently sophisticated iteration loops can be derived. The developed methods are presented within a case study using coreless filament winding as an exemplary fabrication process within an architectural context. This additive manufacturing process, using fiber-reinforced plastics, exhibits great potential for efficient structures when its intrinsic parameter variations can be minimized. The presented method aims to make data sets comparable by identifying the steps each data set needs to undergo (acquisition, pre-processing, mapping, post-processing, analysis, and evaluation). These processes are imperative to provide the means to find domain interrelations, which in the future can provide quantitative results that will help to inform the design process, making it more reliable, and allowing for the reduction of safety factors. The results of the case study demonstrate the data set processes, proving the necessity of these methods for the comprehensive inter-domain data comparison.

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This research investigated building components that can be produced and transported in a flat state and transformed to a spatial state without scaffolding on-site. Curved folding was employed to allow for a shape change between flat and spatial bending active structures. Bending generally allows for expressive curvature with simple flat production as well as easy customization. Limitations presented by laborious forming and upscaling of individually bent plates were overcome by large-scale curved folding. The present research builds upon the context but adds a design framework for volumetric curved folded components, a bistable behavior, and comprehensive detailing regarding upscaling and increased structural capacity. The mechanism was studied on a kinematic level, considering geometrical rules of curved folding and the design space. It was also studied on a kinetic level under the consideration of material properties specific to plywood. As a proof of concept, a 1:1 scale demonstrator was built. Finite element modeling software was used to optimize the shape. The demonstrator was fabricated flat, folded up, and locked in its stable configuration by the bistability and bases. It supported twelve people with a self-weight of approximately 300kg.

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Structural members made of fiber-reinforced polymers (FRP) attract increasing attention in the development of novel architectural systems that challenge the standard design methodologies. Cylindrical surfaces constitute one of the typical geometric sets obtained with the FRP component fabrication. This paper explores the influences of two geometric parameters on the buckling performance of elliptical cylinders: inverse slenderness (ratio of minimum diameter to height) and eccentricity (ratio of radii along semi-axes). The overall stiffness properties are defined using lamination parameters. This analysis method eliminates the dependency of optimal solutions on the initial assumptions regarding the laminate configuration, which needs to be explicitly described in multi-layer modeling. Finite element analyses are utilized to compute buckling loads of the cylinders under axial compression force and bi-axial bending moments. The optimal lamination parameters and buckling stresses are determined for various parameters, and the lamination parameters corresponding to the optimal and simple ±45° angle-ply design points are presented in the lamination parameter plane via Miki's diagram. The results reveal the level of performance that can be achieved by a specific geometry and provide guidelines for the optimal design of elliptical laminated cylinders against buckling.

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Coreless filament winding is an emerging fabrication technology in the field of building construction with the potential to significantly decrease construction material consumption, while being fully automatable. Therefore, this technology could offer a solution to the increasing worldwide demand for building floor space in the next decades by optimizing and reducing the material usage. Current research focuses mainly on the design and engineering aspects while using carbon and glass fibers with epoxy resin; however, in order to move towards more sustainable structures, other fiber and resin material systems should also be assessed. This study integrates a selection of potential alternative fibers into the coreless filament winding process by adapting the fabrication equipment and process. A bio-based epoxy resin was introduced and compared to a conventional petroleum-based one. Generic coreless wound components were created for evaluating the fabrication suitability of selected alternative fibers. Four-point bending tests were performed for assessing the structural performance in relation to the sustainability of twelve alternative fibers and two resins. In this study, embodied energy and global warming potential from the literature were used as life-cycle assessment indexes to compare the material systems. Among the investigated fibers, flax showed the highest potential while bio-based resins are advisable at low fiber volume ratios.

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Coreless filament winding (CFW) is a novel fabrication technique that utilises fibre-polymer composite materials to efficiently produce filament wound structures in architecture while reducing manufacturing waste. Previous projects have been successfully built with glass and carbon fibre, proving their potential for lightweight construction systems. However, in order to move towards more sustainable architecture, it is crucial to consider replacing carbon fibre’s high environmental impact with other material systems, such as natural fibre. This paper evaluates several fibres, resin systems, and their required CFW fabrication adjustments towards designing and fabricating a bio-composite structure: the LivMatS Pavilion. The methods integrate structural design loops with material evaluation and characterisation, including small-scale and large-scale structural testing at progressive stages. The results demonstrate the interactive decision-making process that combines material characterisation with structural simulation feedback, leveraged to evaluate and optimise the structural design. The built pavilion is proof of the first successful coreless filament wound sustainable natural fibres design, and the developed methods and findings open up further research directions for future applications.

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Coreless filament winding is a robotic fabrication technique in which conventional filament winding is modified to reduce the core material to its minimum. This method was showcased and developed through a series of pavilions demonstrating its potential to create lightweight structures. The latest project, Maison Fibre, goes one step further and adapts the fabrication into a hybrid structure combining fibre-polymer composites (FPC) with laminated veneer lumber (LVL) to allow for walkability. The result is the first multi-storey building system fabricated with this novel technique. During the integrative design process of the slab system, the optimum fibre layup was negotiated between the timber support span, load induction, boundary conditions, and material amount required. A total of four iterations of the hybrid component were load tested and compared with the maximum enveloped forces resulting from the global structural simulation. The full-scale load tests were used to calibrate the refined structural simulation of the slab components. The experimental process allowed for material reduction and validated the structural system's capability to withstand the design forces. In addition, the fibre layup was tailored and load adapted for the non-tested wall and slab components of the installation using the test results and achieving further material optimization. This publication describes the integrative design process of the hybrid slab system from initial concepts to the iterative optimization of the structural system, demonstrating its potential for future applications.

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Recent efforts on the research of bending- and tensile-active structures have shown the vast range of aesthetic and performative opportunities that elastic structures can offer for generating innovative architectural solutions. In this context, the task of conceptualizing and representing elastic structures is not trivial due to the presence of large deformations along the forming process. This condition demands to expand beyond current geometrical modeling schemes used in architecture and develop a more intuitive simulation-based design practice. Dynamic methods, such as Particle System and Dynamic Relaxation, have become an important topic on this subject with major efforts entirely focused on speeding up rates of numerical convergence. Fast simulations simplify the development of design iterations, but designers are still forced to break the integration process when topological changes need to be introduced for fulfilling a given design intention. As the exploration of elastic structures becomes more integrated within architectural design agendas, there is a growing necessity to introduce more flexible numerical models for design conceptualization. In this paper we introduce the conceptual framework for a generic Particle System model built on principles of combinatorial maps and graph theory that is designed to support topological transformations on the fly. The computational implementation of the proposed model is demonstrated with two types of data structures. The aim of this work is to enhance modeling capabilities when numerical simulations are used as design tools.

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The applications of fiber-reinforced polymer (FRP) composites extend rapidly along with the development of new manufacturing techniques. However, due to the complexities introduced by the material and fabrication processes, the application of conventional structural design methods for construction members has been significantly challenging. This paper presents an alternative methodology to find optimum fiber layups for a given tube-shape geometry via a graphical optimization strategy based on structural performance requirements. The proposed technique employs simplified shell element models based on classical lamination theory (CLT) to avoid explicit fiber modeling in the FEA simulations. Lamination parameters are utilized to generate the reduced stiffness matrices for continuous multi-layer FRP lamination. The fiber layup of the component is retrieved from the optimal lamination parameters that maximize the structural performance. The case study results demonstrate that the developed method provides compact solutions, linking the structural design requirements with optimal fiber orientations and volumetric proportions. In addition, the determined solutions can be interpreted directly by the winding fabrication settings.

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In coreless filament winding, resin-impregnated fibre filaments are wound around anchor points without an additional mould. The final geometry of the produced part results from the interaction of fibres in space and is initially undetermined. Therefore, the success of large-scale coreless wound fibre composite structures for architectural applications relies on the reciprocal collaboration of simulation, fabrication, quality evaluation, and data integration domains. The correlation of data from those domains enables the optimization of the design towards ideal performance and material efficiency. This paper elaborates on a computational co-design framework to enable new modes of collaboration for coreless wound fibre–polymer composite structures. It introduces the use of a shared object model acting as a central data repository that facilitates interdisciplinary data exchange and the investigation of correlations between domains. The application of the developed computational co-design framework is demonstrated in a case study in which the data are successfully mapped, linked, and analysed across the different fields of expertise. The results showcase the framework’s potential to gain a deeper understanding of large-scale coreless wound filament structures and their fabrication and geometrical implications for design optimization.

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Fiber-reinforced composite structures manufactured by coreless filament winding (CFW) are adaptable to the individual load case and offer high, mass-specific mechanical performance. However, relatively high safety factors must be applied due to the large deviations in the structural parameters. An improved understanding of the structural behavior is needed to reduce those factors, which can be obtained by utilizing an integrated fiber-optical sensor. The described methods take advantage of the high spatial resolution of a sensor system operating by the Rayleigh backscatter principle. The entire strain fields of several generic CFW samples were measured in various load scenarios, visualized in their spatial contexts, and analyzed by FEM-assisted methods. The structural response was statistically described and compared with the ideal load distribution to iteratively derive the actual load introduction and prove the importance of the sensor integration. The paper describes methods for the sensor implementation, interpretation and the calibration of structural data.

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Though capable of allowing multi-directional spans, timber products such as cross-laminated timber are primarily utilized uni-directionally using linear supports like walls or beam elements. Recent building designs increasingly show punctual supports but with narrow column grid layouts. Support beams and narrow grids limit the design space for multi-storey timber buildings. To overcome these design limits, an integrative design concept for punctually supported timber slabs is being developed that allows for large spans and irregular column layouts. Therefore, engineering methods are integrated in the architectural design of the building components, such as plates, columns, and their connections. The developed slab system combines hardwood and softwood materials in a sandwich construction. The plates have a tailored internal topology considering the force flow in the slab. A plate-to-plate connection design is evaluated through mechanical tests, which also serve as calibration for the global structural model. The research findings are validated through the design and construction of a large scale demonstrator: the ITECH Campus Lab.

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The arrangement of columns and their spacing in multi-story timber construction is restricted to rectangular grids by the production and shipping sizes of floor assemblies. This is particularly true for hollow box floor systems, for which the punctual supports must be placed at the reinforced edges of the hollow boxes. The arrangement of the columns and their spacing is thereby restricted by the production and shipping sizes of the box ceilings to rectangular grids. To overcome these design limits a new wooden box building system is developed that allows for irregular column layouts through a tailored slab interior design. This development allows for the increased applicability of timber floor systems regardless of site shape or architectural design intent. The slab interior design is dependent on occurring forces and fabrication requirements. Three methods for the internal slab layout are developed and compared: a sequential method, a structurally informed agent-based method, and a geometrically informed agent-based method that uses both a sequential and agent-based approach. The structural performance of each method is compared through the analysis of three reinforcement layouts an architectural testing setup.

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Under normal conditions, the cross-sections of reinforced concrete in classic skeleton construction systems are often only partially loaded. This contributes to non-sustainable construction solutions due to an excess of material use. Novel cross-disciplinary workflows linking architects, engineers, material scientists and manufacturers could offer alternative means for more sustainable architectural applications with extra lightweight solutions. Through material-specific use of plant-based Natural Fiber-Reinforced Polymer Composites (NFRP), also named Biocomposites, a high-performance lightweight structure with topology optimized cross-sections has been here developed. The closed life cycle of NFRPs promotes sustainability in construction through energy recovery of the quickly generative biomass-based materials. The cooperative design resulted in a development that were verified through a 1:10 demonstrator, whose fibrous morphology was defined by biomimetically-inspired orthotropic tectonics, generated with by the fiber path optimization software tools, namely EdoStructure and EdoPath in combination with the appliance of the digital additive manufacturing technique: Tailored Fiber Placement (TFP).

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In building industries, branched load-bearing structures are used for defined load transfer and load distribution. While fiber-reinforced plastics are established as concrete formwork for straight segments, node geometries are less available. This is caused by the complex manufacturing process of spatially branched, three-dimensional textile preforms. There are only few productive textile processes for the manufacture that are attractive to industry, the most common is braiding. However, setting up the process, including programming the mandrel path through the braiding machine and adjusting the fiber placement, is very time consuming, making the process unattractive despite high productivity. This paper presents a new digitalized process workflow for the fabrication which simplifies the process preparation and thus could establish the braiding process for rapid fabrication of spatially branched, three-dimensional geometries. The digitalized workflow is validated by manufacturing a 4-arm node structure consisting of a concrete-filled CFRP in a scale relevant to the building industry.

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Recent development in research and practice for curved cross-laminated timber (CLT) opens up novel and interesting possibilities for applications of slender surface-active shell structures in architecture. Such typologies provide advantageous structural behaviour allowing for efficient and lightweight structures while simultaneously determine the envelope and space of a building. The high degree of prefabrication combined with a sustainable and renewable building material makes CLT an ecological and economic solution for future construction. This paper presents the design development and construction of the Urbach Tower for the Remstal Gartenschau 2019: a structure made from high curvature CLT components on a building scale. This research contribution illustrates a sophisticated integrative design to construction process emphasizing computational and structural design, fabrication and detailing for curved timber components in complex spatial structures. The authors further explore the structural potential of self-shaped curved CLT investigating the influence of curvature radius on the load-bearing behaviour of the tower structure. The Urbach Tower translates these technical developments into practice arising at the intersection of digital innovation and scientific research.

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The BUGA Fibre Pavilion was built in 2019 in the Bundesgartenschau (National Gardening exhibition) at Heilbronn, Germany. The pavilion consists of modular fibre-polymer composite components made out of glass and carbon fibres with an epoxy resin matrix. The fabrication technique employed, called coreless filament winding (CFW), is a variant from conventional filament winding where the core is reduced to minimum frame support. The fibres are wound between these frames, freely spanning and creating the resulting geometry through fibre interaction. For the structural design of these components, conventional modelling and engineering methods were not sufficient as the system cannot be adequately characterized in the early stage. Therefore, a more experimental design approach is proposed for the BUGA Fibre Pavilion, where different levels of detailing and abstraction in the FE simulations are combined with prototyping and structural testing. This paper shows the procedure followed for the design and validation of the structural fibre components. In this process, the simulations are used as a design tool rather than a way to predict failure, while mechanical testing served for the verification and validation of the structural capacity.

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A hemispherical research demonstration pavilion was presented to the public from April to October 2019. It was the first large-scale lightweight dome with a supporting roof structure primarily made of carbon- and glass-fiber-reinforced composites, fabricated by robotic coreless filament winding. We conducted monitoring to ascertain the sturdiness of the fiber composite material of the supporting structure over the course of 130 days. This paper presents the methods and results of on-site monitoring as well as laboratory inspections. The thermal behavior of the pavilion was characterized, the color change of the matrix was quantified, and the inner composition of the coreless wound structures was investigated. This validated the structural design and revealed that the surface temperatures of the carbon fibers do not exceed the guideline values of flat, black façades and that UV absorbers need to be improved for such applications.

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Increasing the construction capacity, while at the same time significantly reducing harmful emissions and consumption of nonrenewable resources, and still providing a liveable and affordable built environment, provides a great challenge for future construction. In order to achieve this, both the productivity of construction processes and the energy and resource efficiency of construction systems have to be improved in a reciprocal process. Digital technologies make it possible to address these challenges in novel ways. The vision of this Cluster of Excellence IntCDC at the University of Stuttgart and the Max Planck Institute for Intelligent Systems is to harness the full potential of digital technologies to rethink design and construction based on integration and interdisciplinarity, with the goal of laying the methodological foundations to profoundly modernize the design and construction process and related building systems by adopting a systematic, holistic and integrative computational approach. One key objective is to develop an overarching methodology of “co-designing” methods, processes and systems based on interdisciplinary research encompassing architecture, structural engineering, building physics, engineering geodesy, manufacturing and systems engineering, computer science and robotics, and humanities and social sciences. In this way, the Cluster aims to address the ecological, economic and social challenges and to provide the prerequisites for a high-quality and sustainable built environment and a digital building culture.

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This paper aims to define the influencing design criteria for compliant folding mechanisms with pneumatically actuated hinges consisting of fiber-reinforced plastic (FRP). Through simulation and physical testing, the influence of stiffness, hinge width as well as variation of the stiffness, in the flaps without changing the stiffness in the hinge zone, was evaluated. Within a finite element model software, a workflow was developed for simulations, in order to infer mathematical models for the prediction of mechanical properties and the deformation behavior as a function of the aforementioned parameters. In conclusion, the bending angle increases with decreasing material stiffness and with increasing hinge width, while it is not affected by the flap stiffness itself. The defined workflow builds a basis for the development of a predictive model for the deformation behavior of FRPs.

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Die Herausforderung an das Bauen der Zukunft besteht darin, mehr zu bauen, dabei weniger Schadstoffe zu emittieren und weniger endliche Ressourcen zu verbrauchen und trotzdem eine qualitätsvolle und lebenswerte gebaute Umwelt zu schaffen. In einem sich wechselseitig beeinflussenden Prozess müssen hierfür sowohl die Produktivität der Bauprozesse als auch die Energie‐ und Ressourceneffizienz der Bausysteme verbessert werden. Digitale Technologien bieten neue Lösungsansätze für diese Herausforderungen. Ziel des Exzellenzclusters IntCDC an der Universität Stuttgart und dem Max‐Planck‐Institut für Intelligente Systeme ist es, das volle Potential digitaler Technologien zu nutzen, um das Planen und Bauen in einem integrativen und interdisziplinären Ansatz neu zu denken und damit die methodischen Grundlagen für eine umfassende Modernisierung des Bauschaffens zu legen. Eine zentrale Zielsetzung ist die Entwicklung einer übergeordneten Methodologie des „Co‐Design“ von Methoden, Prozessen und Systemen, basierend auf interdisziplinärer Forschung zwischen den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen, Ingenieurgeodäsie, Produktions‐ und Systemtechnik, Informatik und Robotik sowie Geistes‐ und Sozialwissenschaften. So sollen Lösungswege für die ökologischen, ökonomischen und sozialen Herausforderungen aufgezeigt und die Voraussetzungen für eine qualitätsvolle, lebenswerte und nachhaltige gebaute Umwelt sowie für eine digitale Baukultur geschaffen werden.

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The multi-stage filament winding (MSFW) method enables the sustainable production of lightweight fibre composites with complex geometries. Double curved components, even with undercuts, are analysed and concave areas which are not suitable for filament winding are replaced by convex temporary geometries. Permanent and temporary mandrel parts are combined for the stage-based fabrication method. The sand composites developed for MSFW mandrels can be washed out using water. The sand can be reused. This paper introduces the fabrication method, presents the status of the research, and focuses on the geometry generation algorithm of the integrative design process.

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This research demonstrates an integrative computational design and fabrication workflow for the production of surface-active fibre composites, which uses natural fibres, revitalises a traditional craft, and avoids the use of costly molds. Fibre-reinforced polymers (FRPs) are highly tunable building materials, which gain efficiency from fabrication techniques enabling controlled fibre direction and placement in tune with load-bearing requirements. These techniques have evolved closely with industrial textile processes. However, increased focus on automation within FRP fabrication processes have overlooked potential key benefits presented by some lesser-known traditional techniques of fibre arrangement. This research explores the process of traditional bobbin lace-making and applies it in a computer-aided design and fabrication process of a small-scale structural demonstrator in the form of a chair. The research exposes qualities that can expand the design space of FRPs, as well as speculates about the potential automation of the process. In addition, Natural Fibre-Reinforced Polymers (NFRP) are investigated as a sustainable and human-friendly alternative to more popular carbon and glass FRPs.

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The presented research describes the holistic development of a modular lightweight timber shell. So-called segmented timber shells approximate curved geometries with the use of planar plates, thus combining the excellent structural performance of double curved shells with the resource-efficient prefabrication of timber modules using only planar elements. Segmented timber shells constitute a novel building system that demands for innovative approaches on structural design and construction technologies. The geometric complexity of plate shells in conjunction with the particularities of the building material wood pose great challenges to the computational design and planning processes as structural requirements and fabrication constraints determine the shell design at early design phases. This paper discusses the design development and construction of the BUGA Wood Pavilion: A segmented timber shell structure made of hollow cassette components. Particular emphasis lies on the technical challenges of the employed building system, notably structural design and analysis, detailing solutions and the construction process. The authors further describe the integrative structural design and optimization methods developed for the timber shell in question. The BUGA Wood Pavilion demonstrates the possibilities of lightweight and sustainable wood architecture merging the merits of integrative design, structural engineering and high-tech robotic fabrication methods.

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Adaptive shading devices are of special interest in the context of global need for reducing greenhouse gas emissions. To reduce mechanical complexity of kinetic architectural applications, the investigation of bio-inspired compliant mechanisms has proven to be a promising approach. Thus, a coherent integrative design framework for bio-inspired kinetic folding mechanisms has been developed. This includes the abstraction process of biological principles, such as kinematic behaviours, actuation, as well as materialisation principles. A computational design and simulation model is built to analyse the kinematic and kinetic behaviour of the abstracted biological principles under consideration of specific materialisation and fabrication parameters and constraints. The design and simulation model builds the basis for an automated fabrication process, as well as for interaction and active control of the physical application. The development of the ITECH Research Demonstrator 2018-19, a large-scale compliant folding mechanism, inspired by the folding behaviour ladybug wings (Coleptera coccinellidae), serves as a case study of the developed process. The folding motion of the demonstrator is facilitated by distinct elastic hinge-zones with integrated pneumatic actuators.

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Fiber Reinforced Polymers (FRPs) are increasingly popular building materials, mainly because of their high strength to weight ratio. Despite these beneficial properties, these composites are often fabricated in standardized mass production. This research aims to eliminate costly molds in order to simplify the fabrication and allow for a higher degree of customization. Complex three-dimensional shapes were instead achieved by a flat reinforcement, which was resin infused and curved folded into a spatial object before hardening. Structural stability was gained through geometries with closed cross-sections. To enable this, the resource-saving additive fabrication technique of tailored fiber placement (TFP) was chosen. This method allowed for precise fibers’ deposition, making a programmed anisotropic behavior of the material possible. Principles regarding the fiber placement were transferred from a biological role-model. Five functional stools were produced as demonstrators to prove the functionality and advantages of the explained system. Partially bio-based materials were applied to fabricate the stool models of natural fiber-reinforced polymer composites (NFRP). A parametric design tool for the global design and fiber layout generation was developed. As a result, varieties of customized components can be produced without increasing the design and manufacturing effort

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Within the framework of a biomimetic top-down approach, our study started with the technical question of the development of a hinge-free and compliant actuator inspired by plant movements. One meaningful biological concept generator was the opening and closing movements of the leaf halves of grasses. Functional morphological investigations were carried out on the selected model plant Sesleria nitida. The results formed the basis for further clarifying the functional movement principle with a particular focus on the role of turgor changes in bulliform cells on kinetic amplification. All findings gained from the investigations of the biological model were incorporated into a finite-element analysis, as a prerequisite for the development of a pneumatic cellular actuator. The first prototype consisted of a row of single cells positioned on a plate. The cells were designed in such a way that the entire structure bent when the pneumatic pressure applied to each individual cell was increased. The pneumatic cellular actuator thus has the potential for applications on an architectural scale. It has subsequently been integrated into the midrib of the facade shading system Flectofold in which the bending of its midrib controls the hoisting of its wings.

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It has become clear over the last decade that the building industry must rapidly change to meet globally pressing requirements. The strong links between climate change and the environmental impact of architecture mean an urgent necessity for alternative design solutions. In order to propose them in this project, two emergent fabrication techniques were deployed with natural fiber-reinforced polymers (NFRPs), namely tailored fiber placement (TFP) and coreless filament winding (CFW). The approach is explored through the design and prototyping of a stool, as an analogue of the functional and structural performance requirements of an architectural system. TFP and CFW technologies are leveraged for their abilities of strategic material placement to create high-performance differentiated structure and geometry. Flax fibers, in this case, provide a renewable alternative for high-performance yarns, such as carbon, glass, or basalt. The novel contribution of this project is exploring the use of a TFP preform as an embedded fabrication frame for CFW. This eliminates the complex, expensive, and rigid molds that are traditionally associated with composites. Through a bottom-up iterative method, material and structure are explored in an integrative design process. This culminates in a lightweight FlexFlax Stool design (ca. 1 kg), which can carry approximately 80 times its weight, articulated in a new material-based design tectonic.

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The BUGA fibre pavilion built in April 2019 at the Bundesgartenschau in Heilbronn, Germany, is the most recent coreless fibre winding research pavilion developed from the collaboration between ICD/ITKE at the University of Stuttgart. The research goal is to create lightweight and high-performance lattice composite structures through robotic fabrication. The pavilion is composed of 60 carbon and glass fibre components, and is covered by a prestressed ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) membrane. Each of the components is hollow in section and bone-like in shape. They are joined through steel connectors at the intersecting nodes where the membrane is also supported through steel poles. The components are fabricated by coreless filament winding (CFW), a technique where fibre filaments impregnated with resin are wound freely between two rotating scaffolds by a robotic arm. This novel structural system constitutes a challenge for the designer when proving and documenting the load-carrying capacity of the design. This paper outlines and elaborates on the core methods and workflows followed for the structural design, optimization and detailing of the BUGA fibre pavilion.

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Regarding modern, daylight-flooded buildings with large window façades, appropriate shading systems to improve the energy consumption of climate controlling systems are becoming more relevant. Building envelopes contribute largely to the temperature control and should be at best installed on the outside to prevent the interior from heating up. Preferably, those systems work with minimum maintenance and maximum robustness, covering as much of the window area as possible. Previous shading systems were mostly based on rigid-body mechanisms using error-prone joints. Components, whose movability is achieved by a local compliance of the material, offer a way to avoid the usage of mechanical joints. Within this paper, a new fiber-reinforced plastic (FRP) façade shading demonstrator called “Flexafold” is presented. Its opening and closing movement are controlled by pneumatic cushions which are integrated directly into the laminate set-up. The Flexafold shows thereby the possibility of producing self‑supporting, adaptive FRP components whose actuators are integrated into the component and thus protected in exterior applications. The functional principles and components of Flexafold, e.g. the locally compliant FRP material, the folding pattern and the integrated actuator system, are explained within this paper. Furthermore, a comparison to existing adaptive façade shading systems “flectofin®” and “Flectofold” is given.

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Compliant mechanisms of fiber-reinforced plastic (FRP) have been developed to reduce the mechanical complexity of kinetic systems. In a further step, pneumatic actuation was integrated into the set-up of the FRP, offering lightweight, slender, and inconspicuous actuation. Inflation of an integrated cushion causes rotation through the asymmetric material lay-up. Inspiration from the ultrastructure of pressurized veins in arthropod wings has led to the development of a thin layer of elastomer surrounding this pneumatic cushion to avoid delamination. T-peel tests revealed that the elastomer forms a higher adhesion to itself than to glass-fiber-reinforced plastic (GFRP) layers with an epoxy matrix. The angle-pressure relationship for specific GFRP samples with a defined compliant hinge zone was investigated physically and numerically, showing good consistency between the two. Further, a mathematical model, taking into account the bending stiffness of the cushion-surrounding FRP layers, was developed, and a parametric study was conducted on the actuation angles.

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The ICD/ITKE Research Pavilion 2016/2017 is the most recent in the series of experimental building demonstrators developed by the Institute for Computational Design (ICD) and the Institute for Building Structures and Structural Design (ITKE) at the University of Stuttgart. The completed structure is a 12 m long cantilevering lattice-composite shell that was wound in one piece by a multi-machine fabrication system using coreless filament winding. To realise such a structure through this fabrication process involved a negotiation between architectural design, structural requirements and fabrication constraints. The structural design process was divided into two steps. A shell model was used to evaluate possible geometries in the initial negotiation between architectural design and fabrication constraints. In order to approximate the highly anisotropic material behaviour of fibre reinforced polymers, substitute material properties had to be determined in physical tests. In the second step the actual fibre layup was analysed using a detailed beam-element model. The main load bearing fibre bundles were directly analysed in cross section and position. As-built and intended geometry were constantly compared and the feedback was used to refine the finite element analysis during fabrication. This paper covers the aspects mentioned and gives an outlook on further possibilities of this design and fabrication approach.

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Choosing building materials is usually the stage that follows design in the architectural design process, and is rarely used as a main input and driver for the design of the whole building’s geometries or structures. As an approach to have control over the environmental impact of the applied building materials and their after-use scenarios, an approach has been initiated by the author through a series of research studies, architectural built prototypes, and green material developments. This paper illustrates how sustainable building materials can be a main input in the design process, and how digital fabrication technologies can enable variable controlling strategies over the green materials’ properties, enabling adjustable innovative building spaces with new architectural typologies, aesthetic values, and controlled martial life cycles. Through this, a new type of design philosophy by means of applying sustainable building materials with closed life cycles is created. In this paper, three case studies of research pavilions are illustrated. The pavilions were prefabricated and constructed from newly developed sustainable building materials. The applied materials varied between structural and non-structural building materials, where each had a controlled end-of-life scenario. The application of the bio-based building materials was set as an initial design phase, and the architects here participated within two disciplines: once as designers, and additionally as green building material developers. In all three case studies, Design for Deconstruction (DfD) strategies were applied in different manners, encouraging architects to further follow such suggested approaches.

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Due to the high amounts of waste generated from the building industry field, it has become essential to search for renewable building materials to be applied in wider and more innovative methods in architecture. One of the materials with the highest potential in this area is natural fibre-reinforced polymers (NFRP), which are also called biocomposites, and are filled or reinforced with annually renewable lignocellulosic fibres. This would permit variable closed material cycles’ scenarios and should decrease the amounts of waste generated in the building industry. Throughout this paper, this discussion will be illustrated through a number of developments and 1:1 mockups fabricated from newly developed lignocellulosic-based biocomposites from both bio-based and non-bio-based thermoplastic and thermoset polymers. Recyclability, closed materials cycles, and design variations with diverse digital fabrication technologies will be discussed in each case. The mock-ups’ concepts, materials’ compositions, and fabrication methods are illustrated. In the first case study, a structural segmented shell construction is developed and constructed. In the second case study, acoustic panels were developed. The final case studies are two types of furniture, where each is developed from a different lignocellulosic-based biocomposite. All of the presented case studies show diverse architectural design possibilities, structural abilities, and physical building characteristics.

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Hingeless shading systems inspired by nature are increasingly the focus of architectural research. In contrast to traditional systems, these compliant mechanisms can reduce the amount of maintenanceintensive parts and can easily be adapted to irregular, doubly curved, facade geometries. Previousmechanisms rely merely on the reversible material deformation of composite structures with almost homogeneous material properties. This leads to large actuation forces and an inherent conflict between the requirements of movement and the capacity to carry external loads. To enhance the performance of such systems, current research is directed at natural mechanisms with concentrated compliance and distinct hinge zones with high load-bearing capacity. Here, we provide insights into our biological findings and the development of a deployable structure inspired by the Flexagon model of hindwings of insects in general and the hierarchical structure of the wing cuticle of the shield bug (Graphosoma lineatum). By using technical fibre-reinforced plastics in combination with an elastomer foil, natural principles have been partially transferred into a multi-layered structure with locally adapted stiffness. Initial small prototypes have been produced in a vacuum-assisted hot press and sustain this functionality. Initial theoretical studies on test surfaces outline the advantages of these bio-inspired structures as deployable external shading systems for doubly curved facades.

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Die Realisierung von Schalentragwerken aus Stahlbeton ist anspruchsvoll. Hohe Anforderungen an Planung und Ausführung sowie damit verbundene Kosten führen dazu, dass diese Tragwerkstypologie nur selten realisiert wird. Der Artikel beschreibt das Schalungssystem, das beim Bau des zukünftigen Stuttgarter Hauptbahnhofs zum Einsatz kommt. Zahlreiche Anforderungen führten zu der Entwicklung von massiven Brettsperrholzbauteilen, deren Oberfläche mit faserverstärktem Kunststoff beschichtet wird. Die Fertigung der Bauteile erfolgt in mehreren Stufen. Nach der Herstellung von Brettsperrholzrohlingen werden aus mehreren Schichten Rohkörper zusammengesetzt. Die Formgebung erfolgt in zwei Schritten. Mit einer Plattenbearbeitungsanlage werden die Konturen der einzelnen Schichten gefräst. Die endgültige Form wird von einem Industrieroboter herausgearbeitet. Nach der Beschichtung wird die Form der Bauteile mithilfe eines Laser‐Scanners verifiziert. Alle Prozesse während Planung und Fertigung der Schalungselemente sind weitgehend modellbasiert. Mit dem entwickelten Schalungssystem wurden die ersten Elemente des Schalentragwerks aus Weißbeton bereits erfolgreich betoniert.

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In previous studies, it was demonstrated that the geometry of regular anticlastic membrane structures attached to edge beams on all four sides of the membrane is one of the most influential factors for the performance of the structure. However, regular anticlastic membranes are not easy to apply at specific design sites. For this reason, a greater degree of irregularity is introduced in this study to create a wider range of design possibilities. From the regular-shaped fabric panels that are symmetric about the two axes, one of the symmetries is removed. In this way, two new parameters are introduced: asymmetry about the transverse axis creating trapezoid-shaped panels, and asymmetry about the longitudinal axis creating inclined panels. These two types of panel parametric studies are the scope of this work. From findings of case studies of irregular anticlastic membrane structures with asymmetry about one or both axes, design aid charts and design equations for trapezoid-shaped and inclined panels are proposed that would be needed at the preliminary design phase.

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Technological advancement culminating in a globalized economy has brought tremendous improvements for mankind in manifold respects but comes at the cost of alienation from nature. Human activities nowadays are unsustainable and cause severe damage especially in terms of global depletion and destabilization of natural systems but also harm its own social resources. In this paper, a sustainability assessment method is developed based on a bio-inspired sustainability framework that has been developed in the project TRR 141-C01 “The biomimetic promise”. It is aims at regaining the advantages of societal embeddedness in its environment through biological inspiration. The method is developed using a structured approach including requirement specification, description of the inventory models on bio-inspiration and sustainability assessment, creation of a bio-inspired sustainability assessment model and its validation. It is defined as an accompanying assessment for decision support, using a six-fold two-dimensional structure of social, economic and environmental functions and burdens. The method is applied and validated in 6 projects of TRR 141 and its applicability is exemplarily shown by the assessment of “Bio-flexi”, a biobased and biodegradable natural fiber reinforced plastic composite for indoor cladding applications. Based on the findings of the application the assessment method itself is proposed to be advanced towards an adaptive structure and a consequent outlook is provided.

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Textile Hybrid Structures are a novel type of structural system referring to the coupling of tensile form- and bending-active components into a stiffer construct. For form finding its static equilibrium shape, several computational frameworks built upon the Dynamic Relaxation method have been developed for the interactive exploration of material and geometric properties. However, efforts are still required when addressing dynamic alterations of topology without completely resetting the simulation. The main problem to face is the dynamic alteration of topological data without losing consistency of connectivity. In this paper, we present the development of a computational framework for form-finding textile hybrid structures which enables dynamic explorations of complex topological configurations during solver’s execution. A so-called evolving network formulation used to model mutable assemblies of interconnected particles is presented as well as the numerical scheme adopted to find the equilibrium state of such structures. The implementation of the framework is further described through the development of ElasticSpace, an interactive form finding tool for textile hybrid structures built with Java.

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Natural fibres retrieved from annual agricultural by-products offer diverse advantages, when applied as a main ingredient in biocomposite building materials. These fibres, such as straw and other non-wood fibres are annually renewable and are worldwide available having the lowest cost, in comparison to other natural fibres available in the industrial fibre market. In this paper, the author presents three case studies of natural fibre reinforced polymers (NFRP), discussing the agro-fibre densification, different architectural designs for customized applications and fabrication stages. The natural fibres were compounded with three different biopolymers: a thermoplastic, a thermoset and an elastic thermoplastic one. This allowed variations in the final designs and geometries that can be reached, but caused a necessity of changing the fabrication technique in each case accordingly. To prove the applicability of the developed products, mechanical properties and environmental assessment were analyzed.

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This study introduces the development of membrane fabric structures as well as the procedure for their design and analysis along with an explanation of the finite element modeling and conditions considered. In addition, a parametric study on regular barrel vault shaped membranes supported between arches is conducted. The following three parameters determine the geometry of this type of membranes: the arch curvature, the width of the panel, and the scale of the arch. Considering these three parameters and the different combinations among them, regular membrane panels are analyzed leading to the development of a design aid for this type of membranes.

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Die Tragfähigkeit von Betondruckgliedern, wie Stützen im Hochbau, kann durch eine Umschnürung gesteigert werden. Dies erlaubt reduzierte Querschnittsabmessungen, geringeres Gewicht der Bauteile sowie einen Geschoßflächengewinn bei gleichem Traglastniveau. Es werden Untersuchungen zum Tragverhalten an unbewehrten, umschnürten Betonzylindern mit Querschnittdimensionen, die an gängige Hochbaustützen heranreichen, vorgestellt. Gewickelte und erstmals geflochtene Rohre aus kohlefaserverstärktem Kunststoff dienen als Umschnürungen. Durch den Einsatz der Hülle als verlorene Schalung kann auch der Bauablauf im Vergleich zu konventionell geschalten Stützen verbessert werden. Das gewählte Steifigkeitsverhältnis des Kerns zur Hülle führt zu einem mehraxialen Spannungszustand, durch den die Druckfestigkeit von Beton gegenüber der einachsigen Beanspruchbarkeit erheblich gesteigert werden kann. Für die Auslegung werden deshalb aktuelle Bemessungsmodelle für gewickelte Umschnürungen angewendet und ausgewertet. Anhand von Druckversuchen an je drei gewickelten und geflochtenen, mit CFK umschnürten Betonzylindern sowie an Betonreferenzprüfkörpern werden Last‐Verformungskurven in Axial‐ und Umfangsrichtung ermittelt. Die mechanischen Eigenschaften der CFK‐Umschnürung werden anhand eines Split‐Disk‐Tests geprüft. Ergebnisse aus analytischen Modellen werden den experimentellen gegenübergestellt und diskutiert.

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In the research field of segmented timber shells, two construction systems have lately received much attention, which both expose interesting structural and constructional characteristics: planar plate structures made of thin plywood and actively bent plywood structures. The research presented in this article combines elements of both approaches, resulting in a construction system for segmented shell structures with elastically bent elements. The increasing complexity of this approach requires a sophisticated design process, which integrates fabrication constraints as well as structural feedback. As a consequence, form-finding strategies of bending-active timber shells are discussed, with a special focus on the programming of the stiffness distribution in order to fulfil geometrical requirements. The authors also reflect on the specific structural challenges of joining thin sheets of plywood by transferring traditional textile connection methods to timber construction. Investigations of biological role models such as the sand dollar led to transfers of constructional principles on different levels. The resulting construction system was validated through the design and construction of a full-scale architectural prototype

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Computational design and fabrication are at the focus of advanced practice and research in architecture. They allow for local differentiation of building components that enable buildings that were unthinkable a few years earlier. However, to fully exploit the potential of computational fabrication, a new paradigm in engineering is necessary. Today, the quantitative prediction of integrity by calculation of stresses and deformations is conceived as an indispensable prerequisite for any building construction. However, each simulation is only valid within certain boundary conditions, often not able to cope with advanced material systems. This paper discusses the need for alternative engineering strategies including integrated monitoring and physical testing in the design process to overcome the limitations of simulation.

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Cellulosic fibres retrieved from annual agricultural by-products offer diverse advantages when applied as a main ingredient in biocomposite building materials. Within this paper work, the application possibility of non-wood straw fibres in innovative building products is highlighted. Fabrication efficiency is reached here through reducing the number of industrial processes and additives needed to manufacture the final biocomposite products. The natural mineral contents of the straw selected (rice straw) were investigated at 20% fibre load as active flame-retardant fillers in combination with two types of bio-based synthesized thermoplastics poly-lactic acid (PLA) and Lignin. Flammability behavior and morphological examinations of the resulted building materials were tested. Through post-fabrication techniques including vacuum thermoforming processes, a variety of cladding panels with different architectural designs were achieved. The applied fibres were not chemically treated. Instead, the fibres were mechanically densified, maintaining the inner natural minerals contents. The results have shown promising possibility of applying straw fibres as partial replacement of classic flame-retardants especially in combination with bioplastics. The straw based green biocomposites were proved to offer high ecological, economical and aesthetic input in the building industry.

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Smart and adaptive outer façade shading systems are of high interest in modern architecture. For long lasting and reliable systems, the abandonment of hinges which often fail due to mechanical wear during repetitive use is of particular importance. Drawing inspiration from the hinge-less motion of the underwater snap-trap of the carnivorous waterwheel plant (Aldrovanda vesiculosa), the compliant façade shading device Flectofold was developed. Based on computational simulations of the biological role-model's elastic and reversible motion, the actuation principle of the plant can be identified. The enclosed geometric motion principle is abstracted into a simplified curved-line folding geometry with distinct flexible hinge-zones. The kinematic behaviour is translated into a quantitative kinetic model, using finite element simulation which allows the detailed analyses of the influence of geometric parameters such as curved-fold line radius and various pneumatically driven actuation principles on the motion behaviour, stress concentrations within the hinge-zones, and actuation forces. The information regarding geometric relations and material gradients gained from those computational models are then used to develop novel material combinations for glass fibre reinforced plastics which enabled the fabrication of physical prototypes of the compliant façade shading device Flectofold.

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Membrane fabric structures are spatial structures that allow for long span and lightweight roofs. In many cases, membrane roofs are supported with trusses or masts and prestressed together with cables to obtain a resistant shape for a given loading condition. For the design of membrane structures, geometrically nonlinear analysis is required. Additionally, modeling of each membrane element and formfinding of the shape are of great importance in the design process. First, an equilibrium-finding analysis is conducted for the purpose of obtaining the optimal shape of the membrane structure, during which the initial stresses of the membrane and cables must be balanced. Next, the stress-deformation analysis is performed for the required loading condition. This analysis allows understanding of the behavior of the structure and confirms that the design of the membrane satisfies the required safety factor for the construction. The analyses of the Southwestern Baseball Dome in Seoul and the Jeju Stadium Dome in Jeju Island, both in Korea, are presented, with an emphasis on details in all aspects of the analysis process. It is found that the selection of analysis and design techniques and appropriate construction materials would be most critical. The analysis results also show that the form-finding step has a significant effect on increasing the stiffness of the structure and a more regular geometry promotes a more stable response under various loading conditions.

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Stay-in-place formwork is often used to accelerate the construction of structural elements such as flooring, concrete bridge decks and compressed shells. This study aims at designing, manufacturing and testing of two different nonlinear shear connectors made of fiber reinforced polymer composites for the formwork: (1) non-directional, cylindrical shear-cones; and (2) directional, cubical shear-cones with one side beveled. Six 1m-long specimens were constructed using carbon fiber reinforced polymer stay-in-place formwork and a plain concrete slab (200 wide and 130mm thick). Based on the results of three-point bending tests, similar stiffness, load–displacement response and failure mode were observed in the two contrasting designs. The resistance of the specimens using cylindrical shear-cones was approximately 26% higher than that of the ones with cubical design.

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Over the course of 3.8 billion years of biological evolution, nature has found the answers to many engineering problems. The aim of biomimetics is to analyse and tap biology's potential as a huge reservoir for innovative solutions. Thomas Speck, Professor and Director of the Plant Biomechanics Group (PBG) at the University of Freiburg and the Freiburg Centre for Interactive Materials and Bioinspired Technologies (FIT), Jan Knippers , Professor and Head of the Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE) at the University of Stuttgart, and Olga Speck, a researcher at the PBG, scientific coordinator of FIT and manager of the Competence Network Biomimetics at Freiburg, explain how biological material systems with self‐x properties are cost‐efficient, multifunctional, and can be environmentally friendly; and with several billion trial runs, have surely stood the test of time.

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Process‐based biomimetics focuses on the transfer of biological principles to architectural construction. To realise the ICD/ITKE Research Pavilion 2014 ‐15, presented here by Moritz Doerstelmann, Jan Knippers, Valentin Koslowski, Achim Menges, Marshall Prado, Gundula Schieber and Lauren Vasey of the Institute for Computational Design (ICD) and Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE) research team at the University of Stuttgart, sensor‐driven robotic fabrication was combined with advanced design computation and simulation. This enabled the construction of an architectural fibre structure on a pneumatic mould, drawing on the complex design of the web of a water spider.

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Biegeaktive Tragwerke sind gekrümmte Tragwerke, deren Geometrie und Systemsteifigkeit sich aus einer elastischen Verformung von Tragelementen ergibt. Biegung kann demnach dazu genutzt werden, komplexe räumlich gekrümmte Tragsysteme aus ursprünglich geradlinigen oder ebenen Tragelementen zu erzeugen. Bei der Arbeit mit biegeaktiven Tragstrukturen zeigt sich, dass dieser Formgebungsansatz die Entwicklung hocheffizienter Tragsysteme ermöglicht, welche - frei von tradierten typologischen Ansätzen der Tragwerkslehre - aus dem Kurzschließen von Rückstellkräften entstehen. Nach einer Definition der Begriffe und kurzen Darstellung der relevanten mechanischen sowie werkstofftechnischen Grundlagen werden in diesem Aufsatz die besonderen Eigenschaften dieser Tragwerke anhand von Fallbeispielen erläutert.

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Segmental plate shells are an interesting option for the design and construction of cost-effective shell structures. They are composed of prefabricated segmental plates that are joined together to become an integral structure that generates a shell action and transfers external loads into membrane forces. However, connections between segmental plates nearly always weaken shell structures as they disturb the material continuity and thus their stiffness. The application of finger joint connections can effectively increase the in-plane stiffness and thus makes plate shell structures stiffer and stronger. Moreover, they attract more forces to flow through the connection in the form of in-plane shears instead of axial forces and thus reduce the load in the axial direction of a connection. As a result, the application of finger joints allows a lighter axial joint design with smaller screw diameters, which is preferred in a thin timber plate structure. The paper presents the Landesgartenschau Exhibition Hall as a successful demonstrator for segmental timber plate shells and highlights the design of the finger joint connections.

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In architecture, kinetic structures enable buildings to react specifically to internal and external stimuli through spatial adjustments. These mechanical devices come in all shapes and sizes and are traditionally conceptualized as uniform and compatible modules. Typically, these systems gain their adjustability by connecting rigid elements with highly strained hinges. Though this construction principle may be generally beneficial, for architectural applications that increasingly demand custom-made solutions, it has some major drawbacks. Adaptation to irregular geometries, for example, can only be achieved with additional mechanical complexity, which makes these devices often very expensive, prone to failure, and maintenance-intensive.Searching for a promising alternative to the still persisting paradigm of rigid-body mechanics, the authors found inspiration in flexible and elastic plant movements. In this paper, they will showcase how today's computational modeling and simulation techniques can help to reveal motion principles in plants and to integrate the underlying mechanisms in flexible kinetic structures. By using three case studies, the authors will present key motion principles and discuss their scaling, distortion, and optimization. Finally, the acquired knowledge on bio-inspired kinetic structures will be applied to a representative application in architecture, in this case as flexible shading devices for double curved facades. Plant movements.Kinetic structures.Biomimetics.Facade shading.Compliant mechanisms.

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This paper discusses form-finding and simulation strategies for form- and bending-active hybrid structures. The interaction of tension in the surface and bending in beam elements leads to a complex form-finding question in which the boundary conditions for the membrane are nonlinear; they deform as a result of the membrane pre- stress. After a general introduction of form- and bending-active hybrid structures the form-finding question is discussed by introducing a numerical approach in FEM as well as through the discussion of realised projects.

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Jörg Schlaich setzt sich für eine ganzheitliche Qualität im Ingenieurbau ein. Das Prinzip Leichtbau ist dabei die zentrale Richtschnur seines Entwerfens. Leichtbau ist für ihn nicht Selbstzweck, sondern hat eine soziale, ökologische und kulturelle Bedeutung. Sozial, weil eine feingliedrige Konstruktion eine hohe Wertschöpfung für Planung und Herstellung generiert, ökologisch, weil ein geringer Materialeinsatz Ressourcen spart und kulturell, weil eine dem Kraftfluss folgende Form zeitlosen Gestaltungsprinzipien folgt. Zu seinem Selbstverständnis als kulturell verantwortlicher Ingenieur gehört auch die Verankerung in der Bau‐ und Konstruktionsgeschichte. Viele seiner Entwürfe knüpfen an Ansätze großer Wegbereiter des Ingenieurbaus an, interpretieren diese aber völlig neu und überführen sie in Konstruktionen höchster Eleganz. Wie werden nun heute die Ansätze von Jörg Schlaich zum Leichtbau aufgegriffen, wie werden sie weiterentwickelt und welche Diskussionen stoßen sie an? Stellvertretend für die vielen Kolleginnen und Kollegen, die ihre prägenden beruflichen Impulse Jörg Schlaich und seinem Umfeld verdanken, möchten wir dies an eigenen Projekten diskutieren.

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The paper presents experimental work to determine the load-bearing capacity, strain responses up to failure, and failure mode of pultruded carbon fiber–reinforced polymer (CFRP) strips with different deviation saddle geometries. Several tests with different deviation angles and deviation saddle radii were carried out. The results show that the tensile strength of the CFRP strip is reduced significantly by deviation, even if the deviation radius is comparatively large in relation to the thickness of the CFRP strips. Further tests were carried out to determine the influence of other important parameters on the load-bearing capacity of the strip such as surface properties of the saddle. With the help of a polyethylene layer (PE-HD) between the CFRP strip and the deviation saddle, friction could be reduced. This leads to an increase in the breaking strength of the CFRP strip. The effect of these parameters on the load-bearing capacity of the CFRP strip is presented in this article.

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In this paper the authors present research into an integrative computational design methodology for the design and robotic implementation of fibre-composite systems. The proposed approach is based on the concurrent and reciprocal integration of biological analysis, material design, structural analysis, and the constraints of robotic filament winding within a coherent computational design process. A particular focus is set on the development of specific tools and solvers for the generation, simulation and optimization of the fibre layout and their feedback into the global morphology of the system. The methodology demonstrates how fibre reinforced composites can be arranged and processed in order to meet the specific requirements of architectural design and building construction. This was further tested through the design and fabrication of a full-scale architectural prototype.

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Während eines Forschungsprojektes wurde ein neuer thermoplastischer Werkstoff für Fassadenbekleidungen entwickelt, der zu über 90 % aus nachwachsenden Rohstoffen besteht. Die recyclebare Biokunststoffplatte kann als Fassaden- und Innenwandbekleidung ebener oder frei geformter Innen- und Außenwände eingesetzt werden. Sie erfüllt die üblichen Anforderungen, die hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Flammschutz an Baustoffe gestellt werden. Ziel des am Stuttgarter Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) durchgeführten Forschungsprojektes war, ein möglichst nachhaltiges und dennoch langlebiges Baumaterial zu entwickeln. Der Anteil erdölbasierter Komponenten und Additive sollte dabei gering gehalten werden. Das Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) übernahm die ökobilanzielle Bewertung, ermittelt wurde auch die Beständigkeit des Materials gegenüber mikrobiellem Abbau.

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Aerogelhaltiger Leichtbeton weist als gefügedichtes Material eine signifikant verbesserte Wärmedämmung gegenüber luftgedämmten Leichtbetonmaterialien auf. Durch eine gezielte Beeinflussung der Betonkomponenten zu einer höheren Packungsdichte lassen sich auch die Festigkeitseigenschaften positiv beeinflussen, sodass das Material sowohl eine hervorragende Dämmwirkung als auch eine ausreichende Tragfähigkeit aufweist. Der Aufsatz beschreibt die Materialentwicklung und experimentell ermittelte Materialparameter.

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Der von SOMA Architecture aus Wien, Österreich entworfene Themenpavillon “One Ocean” ist eines der wichtigsten Gebäude der Expo 2012 in Yeosu, Korea. Die dem Expo‐Gelände und dem Haupteingang zugewandte Seite ist von einer kiemenartigen, mit LED bestückten beweglichen Medienfassade geprägt. Sie stellt einen gestalterischen Bezug zum Meer her und ermöglicht die Lichtsteuerung des Gebäudes. Grundlage der Entwicklung der kinetischen Fassade war die Analyse natürlicher Bewegungsprinzipien. Die Verwendung von glasfaserverstärkten Kunststoffen (GfK) erlaubt große reversible elastische Verformungen und ermöglicht somit eine komplett neue Interpretation wandelbarer Strukturen.

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In the current paper the authors present a biomimetic design methodology based on the analysis of the Echinoids (sea urchin and sand dollar) and the transfer of its structural morphology into a built full-scale prototype. In the first part, an efficient wood jointing technique for planar sheets of wood through novel robotically fabricated finger-joints is introduced together with an investigation of the biological principles of plate structures and their mechanical features. Subsequently, the identified structural principles are translated and verified with the aid of a Finite Element Model, as well as a generative design system incorporating the rules and constraints of fabrication. The paper concludes with the presentation of a full-scale biomimetic prototype which integrates these morphological and mechanical principles to achieve an efficient and high-performing lightweight structure.

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The introduction of computational design processes and particularly of computer‐aided fabrication methods recast roles across the design team. As Jan Knippers , founding partner of Knippers Helbig Advanced Engineering and Head of the Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE) at the University of Stuttgart explains, it offers structural engineers a unique opportunity: the potential to break through the barriers of conventional model thinking (thinking in discrete typologies) and to embrace process design and new forms of interaction.

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Bending-active structures are composed of curved beam or shell elements which base their geometry on the elastic deformation of an initially straight or planar configuration. In bending-active structures the moment of inertia has a direct influence on the residual stress and is therefore limited by a given minimal curvature in the system and the permissible bending stress capacities of the chosen material. These interdependencies may lead to a scaling issue that limit bending-active structures to a certain size range. This range may be widened if the system's reliance on elastic stiffness is compensated by other stiffening factors such as coupling of structural elements and stress stiffening effects. This paper will analyse the scaling effects in bending-active structures. Some basic systems are studied by means of dimensional analysis and FEM parameter studies to clarify at which power each influencing factor effects scaling. Based on these findings some more complex structures are studied for their scalability. This will offer the basis for some more general conclusions.

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In the current paper, the authors developed two different numerical methods for fibre reinforced polymers. The first method deals with the simulation of an innovative manufacturing process based on filament winding for glass and carbon fibre reinforced polymers. The second developed numerical method aims at modelling a high level of material complexity and allowing reciprocal confrontation with a geometric differentiated global structure. The developed numerical techniques served as a basis for the design and implementation of a Pavilion built on the campus of the University of Stuttgart in 2012 and could thus be tested and proved.

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In this paper structures that actively use bending as a self-forming process are reviewed. By bringing together important material developments and various historical as well as recently built samples of such structures, the aim is to show coherences in their design approach, structural systems and behaviour. Different approaches to bending-active structures are defined and described. By making this work accessible and categorising it, this paper aims to contribute to an emerging development. Adifferentiation of such structures is suggested based on their design approaches. Three such approaches are differentiated: the behaviour based approach, the geometry based approach and current research that seeks to integrate the two. In this paper the nature of these approaches and some important project samples are discussed.

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This paper will focus on how the emerging scientific discipline of biomimetics can bring new insights into the field of architecture. An analysis of both architectural and biological methodologies will show important aspects connecting these two. The foundation of this paper is a case study of convertible structures based on elastic plant movements.

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Material behaviour computes form. In the physical world, material form is always inseparably connected to internal constraints and external forces; in the virtual space of digital design, though, form and force are usually treated as separate entities – divided into processes of geometric form generation and subsequent engineering simulation. Using the example of the interdisciplinary ICD/ITKE Research Pavilion, constructed at the University of Stuttgart in 2010, Moritz Fleischmann, Jan Knippers, Julian Lienhard, Achim Menges and Simon Schleicher explain how feedback between computational design, advanced simulation and robotic fabrication expands the design space towards previously unexplored architectural possibilities.

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This paper presents a novel biomimetic approach to the kinematics of deployable systems for architectural purposes. Elastic deformation of the entire structure replaces the need for local hinges. This change becomes possible by using fibre-reinforced polymers (FRP) such as glass fibre reinforced polymer (GFRP) that can combine high tensile strength with low bending stiffness, thus offering a large range of calibrated elastic deformations. The employment of elasticity within a structure facilitates not only the generation of complex geometries, but also takes the design space a step further by creating elastic kinetic structures, here referred to as pliable structures. In this paper, the authors give an insight into the abstraction strategies used to derive elastic kinetics from plants, which show a clear interrelation of form, actuation and kinematics. Thereby, the focus will be on form-finding and simulation methods which have been adopted to generate a biomimetic principle which is patented under the name Flectofin®. This bio inspired hingeless flapping device is inspired by the valvular pollination mechanism that was derived and abstracted from the kinematics found in the Bird-Of-Paradise flower (Strelitzia reginae, Strelitziaceae).

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Die Herstellung doppelt gekrümmter Glaselemente mittels Kaltverformens, wie sie auf der glasstec 2010 vorgestellt wurden, ist vielversprechend für die Verwendung für Ganzglas‐Schalenkonstruktionen, deren optische und technische Qualität auf die Ansprüche der Architektur nach hochtransparenten, sanft gekrümmten Formen reagiert. Die Ergebnisse der Untersuchung von Formgebungs‐ und Materialeigenschaften der kaltgekrümmten Scheiben ermöglichten die Erarbeitung und Vorauswahl entsprechender doppelt gekrümmter Schalengeometrien. Charakteristische Grundformen sind dann Parameterstudien und Sensibilitätsanalysen zur Ermittlung des Tragverhaltens abhängig von Fügung, Lagerung und Einteilung unterzogen worden. Antiklastische Geometrien haben sich dabei als besonders interessant herausgestellt.

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A high temperature cured self-healing epoxy is demonstrated by incorporating microcapsules of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) resin and separate microcapsules containing an organotin catalyst. Healing is triggered by crack propagation through the embedded microcapsules in the epoxy matrix, which releases the healing agents into the crack plane initiating crosslinking reactions. A series of tapered double-cantilever beam (TDCB) fracture tests were conducted to measure virgin and healed fracture toughness. Healing efficiencies, based on fracture toughness recovery, ranged from 11 to 51% depending on the molecular weight of PDMS resin, quantity of healing agent delivered, and use of adhesion promoters.

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In Friedberg (Hessen) wurde im Juli 2008 erstmals in Deutschland eine Straßenbrücke unter Verwendung von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) fertig gestellt. Das Bauwerk überspannt mit 27 m die Bundesstraße B 3a bei der Stadt Friedberg (Hessen) und wurde in Stahl‐GFK‐Verbundbauweise realisiert. Die hohe Dauerhaftigkeit des neuen Werkstoffs und die zügige Montage der Brücke waren die entscheidenden Gründe pro GFK. In den letzten Jahren wurden in den USA, Japan und auch in Europa einige Leichtbaubrücken mit faserverstärkten Kunststoffen realisiert. Dabei konnten wertvolle Erfahrungen zum Bau und Betrieb gesammelt und die Leistungsfähigkeit von Verbundwerkstoffen unter Beweis gestellt werden. Die Brücke in Friedberg geht über diese Vorbilder hinaus, indem hier erstmals die Verbundwirkung zwischen der GFK‐Fahrbahn und dem Haupttragwerk aus Stahl berücksichtigt wird. Außerdem wurde konsequent der Ansatz eines wartungsarmen und langlebigen Bauwerks verfolgt, indem auf Lager und Fahrbahnübergänge verzichtet wurde.

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Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) besitzt eine Reihe von ausgezeichneten Eigenschaften mit weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten im konstruktiven Ingenieurbau. So werden schon seit einigen Jahren CFK‐Lamellen für die Instandsetzung und nachträgliche Verstärkung von Bauteilen aus Stahlbeton eingesetzt. Solche Lamellen könnten auch als freie Spannglieder, z. B. für extern vorgespannte Stahlbetonbrücken oder für unterspannte Decken im Hochbau, Verwendung finden. Die Empfindlichkeit von Kohlestofffaserverstärktem Kunststoff für Beanspruchungen durch Querpressungen macht jedoch die konstruktive Gestaltung der Endverankerung und der Umlenkung auf einem Sattel schwierig. Für die Endverankerung liegen bereits Ansätze von verschiedenen Forschungseinrichtungen vor. In diesem Aufsatz werden die Ergebnisse von Versuchen zur Ermittlung des Einflusses einer Umlenkung auf die Bruchlast von CFK‐Lamellen veröffentlicht.

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Frei geformte Gitterschalen aus Stahl sind in der zeitgenössischen Architektur weit verbreitet. Computergesteuerte Planungs‐ und Fertigungswerkzeuge ermöglichen Konstruktionen, die vor wenigen Jahren noch undenkbar gewesen wären. Aber wie wird eine frei geformte 3D‐Geometrie in eine gebaute Struktur überführt, ohne dass dabei die architektonische Vision einer elegant geformten Gebäudehülle verlorengeht? Dazu ist von der Formgenerierung bis zur Montage auf der Baustelle eine durchgängige Prozesskette erforderlich, in der der Tragwerksplaner als Schnittstelle zwischen den ästhetischen Ambitionen des Architekten, den technischen Zwängen der Fertigung und den finanziellen Möglichkeiten des Bauherren eine zentrale Rolle einnimmt. In diesem Aufsatz wird am Beispiel von zwei verglasten Gitterschalen gezeigt, wie frei geformte 3D‐Geometrien neue Abläufe bei der Planung erfordern und sich neue Betätigungsfelder für Tragwerksplaner eröffnen.

Zusammenfassung

The recent completions of free-form spatial structures provide us a very attractive form. To realize such an extraordinary shape, it is absolutely necessary that the connector systems have to be investigated the characteristics of the systems and analyzed with a practicable method. In this context, this research consists of not only literature research but also numerical analysis with selected connector systems, which was adopted in real free-form spatial structures. For numerical analysis, especially, finite element analysis (FEA) is performed with a various test parameter using a commercial program ANSYS. Consequently, the general characteristics of node connectors the moment-rotation-curves are presented by considering a large deformation effect as well as a multi-linear material properties.

Zusammenfassung

The appearance of many Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP) constructions look like ordinary steel construction, because GFRP has been imitated by the same way with the traditional steel's cross section as well as connection system. In terms of detachable connection, there was not enough appropriate option of GFRP connection, such as a traditional bolt connection for steel and wood structures. Most of all, from material characteristic of GFRP related to the deficient ductility, the shearstress principle of GFRP s not proper for the material property, which causes ineffective and not economic application of material. With this research problem, the innovative and detachable onnection system, which is more considered with appropriate material characteristic for FRP, is developed. Not only short time but also long time research with various connection variations is carried out.

Zusammenfassung

Auf der glasstec 2006 in Düsseldorf, der weltweit größten Messe der glaserzeugenden und glasverarbeitenden Industrie, wurde von der Firma Seele eine Ganzglastreppe mit einer freien Spannweite von sieben Metern errichtet. Die beiden tragenden Wangen bestehen aus jeweils einer mehrlagigen Floatglasscheibe ohne Stoß. Neben der großen Spannweite der Glasscheiben ist vor allem die Verwendung einer neuartigen Klebetechnik mittels hochtransparenter SGP (SentryGlas® Plus)-Folien bemerkenswert. Im Mittelpunkt dieses Aufsatzes stehen das statische Konzept der Treppe sowie die Ausführung und Bemessung der Klebeverbindungen.

Zusammenfassung

Currently, the structural material, namely glass fiber reinforced polymer (GFRP) is focused on innovative structure due to lightness, excellent workability and noncorrosive characteristics, etc. However, the lack of GFRP connection technology produces only an imitation of steel and wood structures. This uses univentive design principles as well as unsuitable material applications, causes tons of surplus of materials to be wasted, and results in uneconomical structures, because the characteristics between steel and GFRP are completely different. Thus, this research develops the new, innovative GFRP connection system with considerations of the characteristics of GFRP and adopts it to a mobile und modular membrane pavilion.

Zusammenfassung

Mit dem neuen Kaufhaus Peek und Cloppenburg ist ein Bau von herausragender architektonischer Qualität mitten im Herzen der Kölner Altstadt entstanden. Seine Fassade, über die in diesem Aufsatz berichtet wird, war in vielfacher Hinsicht eine besondere Herausforderung für die Tragwerksplanung. Dies betrifft die komplexe Geometrie, die Lagerung auf dem Rohbau vor allem aber die ungewöhnliche und neuartige Kombination der Werkstoffe Stahl und Holz. Aufgelöste vertikale Holzbinder und horizontale Stahlrohre bilden mit diagonalen Stahlseilen eine freitragende Stabschale. Dazu mußten zahlreiche Konstruktionsdetails, insbesondere die Holzverbinder, erstmals gelöst werden.

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Grid shells exhibit different modes of stability failure. This paper explains some parameters influencing the failure load of domes and barrel vaults and makes suggestions for the imperfection shape which has to be assumed in an analysis. All computations are carried out with a commercial FE-program.

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A fjord of the Baltic Sea divides the centre of the City of Kiel. To provide a pedestrian crossing that allows passage of ships, a folding cable-stayed bridge was built. Its unusual folding mechanism was proposed not only to ensure a safe and robust operation, but also to provide a visual and technical attraction. The deck folds at three hinges by the continuous rotation of a pair of single-speed winches, to which all cable drums are connected.

Zusammenfassung

Der Beitrag beschreibt den Einfluß von Stablänge, Stabsteifigkeit und dem Stich-zu-Spannweiten-Verhältnis auf die erreichbare Traglast von Stabschalen. Daneben werden Überlegungen zur Wahl der rechnerischen Ersatzimperfektionen angestellt. Diese sind nicht nur für die Stabschalen von Interesse, sondern lassen sich auf die Berechnung von beliebigen stabilitätsgefährdeten Strukturen übertragen.

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A mixed/hybrid FE formulation for the solution of elasto-viscoplastic problems under dynamic loading conditions is presented. The constitutive equations under considerations are those of Chaboche. The spatially semi-discretized system of ordinary differential equations is numerically integrated in time by means of a midpoint type algorithm. A layer-model is developed which enables the application of the proposed methods in shell or plate theory. Numerical examples demonstrate the efficiency of the proposed method.

Zusammenfassung

A mixed/hybrid FE formulation for the solution of elasto-viscoplastic problems is presented. The spatially semi- discretized system of ordinary differential equations is numerically integrated in time by means of a midpoint type algorithm. Stability considerations are discussed and conditions for its maintenance are established. Illustrative numerical examples demonstrate the ability of the proposed method to reproduce elasto-viscoplastic behaviour. Comparison with known results is also made.

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Nature has always been a source of inspiration for the design of the human environment. The analysis of biological constructions can not only lead to astonishing technical solutions but can also inspire the design of architecture. Bionics is a fascinating border area between pure research and practical application: biologists, chemists, physicists, mineralogists, and paleontologists meet up with material scientists, engineers, and architects and transfer their knowledge to architecture and construction. Using numerous practical examples, this richly illustrated introduction traces the process from the understanding of how something functions, to abstraction―for example in computer models―and the construction of initial prototypes, through to fully functional manufacture and production.

Zusammenfassung

Bionik ist ein faszinierendes Grenzgebiet zwischen Grundlagenforschung und praktischer Anwendung, zwischen Architektur und Biologie: Die Analyse biologischer Konstruktionen kann zu verblüffenden technischen Lösungen führen. Das Buch verfolgt an einer Vielzahl von Beispielen den Weg von der Erkenntnis, wie etwas funktioniert, über die Abstraktion in Computermodellen und den Bau erster Prototypen bis zur funktionierenden Fertigung und Produktion.

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This book contains 24 technical papers presented at the fourth edition of the Advances in Architectural Geometry conference, AAG 2014, held in London, England, September 2014. It offers engineers, mathematicians, designers, and contractors insight into the efficient design, analysis, and manufacture of complex shapes, which will help open up new horizons for architecture. The book examines geometric aspects involved in architectural design, ranging from initial conception to final fabrication. It focuses on four key topics: applied geometry, architecture, computational design, and also practice in the form of case studies. In addition, the book also features algorithms, proposed implementation, experimental results, and illustrations. Overall, the book presents both theoretical and practical work linked to new geometrical developments in architecture. It gathers the diverse components of the contemporary architectural tendencies that push the building envelope towards free form in order to respond to multiple current design challenges. With its introduction of novel computational algorithms and tools, this book will prove an ideal resource to both newcomers to the field as well as advanced practitioners.

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L'uso di materie plastiche e membrane è abbastanza recenti nell'architettura. Dopo un attento esame dei materiali sintetici in uso nelle costruzioni, vengono presentati i semilavorati rinforzati con fibre, membrane e membrane tessili idonei per l'impiego nell'architettura. L'impiego dei semilavorati viene presentato in modo pratico-operativo con una carrellata di dettagli che presentano soluzioni che non tengono solo conto del carattere tecnologico del materiale ma anche del ruolo nella fisica costruttiva negli involucri multistrati. Inoltre i casi di studio sono stati scelti per rappresentare le molteplici possibilità di utilizzo e integrazione di questi materiali nella progettazione architettonica moderna.

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Whether it be as translucent sheets, broadly stretched membranes, and inflated foil cushions or in graceful, organic curves, architecture today is utilizing plastics in the most disparate forms and for a wide variety of purposes. Innovative technical developments are constantly improving its material properties; at the same time, there is a growing new awareness of its potential as a construction material. While plastics used to be employed primarily as an inexpensive variant on traditional building materials, they are increasingly regarded in the construction world today as a serious and viable alternative, be it as supporting structures, roofs, facades, or elements of interior design and decoration. Thanks in large part to this inherent self-sufficiency, plastics are currently enjoying an unprecedented surge in popularity, even among the international architectural avant-garde – as multiwall sheets or corrugated, fiber-reinforced panels, or as filling between glass panes. And the new generation of ecological bioplastics also pays tribute to the debate on sustainability, ridding plastics of their lingering reputation as environmental offenders. From the history of plastics and membranes in architecture to their material properties and requirements in construction and design, the Plastics and Membranes Construction Manual cuts to the chase, providing the kind of solid and comprehensive overview of the subject that readers have come to expect from the Im DETAIL series. Selected project examples round off the reference work and make it indispensable for the day-to-day life of the professional planner and for every architecture library.

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Grundlagen des Bauens mit synthetischen Werkstoffen Von transparent bis transluzent – neue Konstruktionsmöglichkeiten mit einem vielseitigen Material Ob als transluzente Platten, weit gespannte Membranen, luftgefülltes Folienkissen oder in organisch geschwungener Gestalt: In den unterschiedlichsten Formen und Anwendungsbereichen finden Kunststoffe Verwendung in der Architektur. Innovative technische Entwicklungen verbessern stetig seine Materialeigenschaften. Kunststoffe sind heute im Bauwesen eine ernstzunehmende Alternative, sei es als Tragkonstruktion, Dach, Fassade oder Inneneinrichtung. Der »Atlas Kunststoffe + Membranen« kehrt zu den Basics der Reihe zurück, indem er sich einem einzelnen Baustoff widmet. Von den Werkstoffeigenschaften bis hin zu Anforderungen an Entwurf und Konstruktion bringt er in gewohnter DETAIL-Qualität fundiertes und umfassendes Fachwissen auf den Punkt. Ausgewählte Projektbeispiele runden das Nachschlagewerk ab und machen es unabdingbar für den Planungsalltag. - Geschichtliche Entwicklung von Kunststoffen und Membranen in der Architektur - Umfassende Grundlagenvermittlung zu Herstellung, Verarbeitung und Anwendung - Präzise Materialbeschreibung zu Werkstoffen und Halbzeugen - Bauphysikalische Eigenschaften und Umwelteinwirkungen - Formfindung und Berechnung von Kunststofftragwerken und Membranen - Erstmals nach neuestem Forschungsstand komplett zusammengestellte Übersicht von Leitdetails

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Deployable gridshells are a class of planar-to-spatial structures that achieve a 3D curved geometry by inducing bending on a flat grid of elastic beams. However, the slender nature of these beams often conflicts with the structure’s load-bearing capacity. To address this issue, multiple layers are typically stacked to enhance out-of-plane stiffness and prevent stability issues. The primary challenge then lies in deploying such multi-layered systems globally, as it requires significant shaping forces for actuation. This paper presents an alternative design approach that involves strategically connecting compact-to-volumetric gridshell components using weaving principles to shape a thick segmented shell. This innovative approach allows for an incremental construc�tion process based entirely on deployable modules with volumetric configurations that locally provide the necessary structural depth for the entire system. To demonstrate this principle, we present the realization of BamX, a research pavilion constructed using deployable cylindrical components made from raw bamboo slats. These components are interconnected at carefully optimized interlocking woven nodes, resulting in a bending-active structural frame that is both strong and exceptionally lightweight. To determine the optimal topology and geometry of the pavilion, we employ an integrative computational approach that leverages advanced numerical optimization techniques. Our method incorporates a physics-based simulation of the bending and twisting be�havior of the bamboo ribbons. By finding the ideal locations for ribbon crossings, we ensure that all external and internal forces are in global equilibrium while minimizing the mechanical stress experienced by each ribbon. BamX exemplifies how a symbiosis of refined weaving craft and advanced computational modeling enables fascinating new opportunities for rethinking deployability in architecture.

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Coreless filament winding (CFW) is an advancement of industrial filamentwinding for architectural applications. In this process, the formwork is reduced to anabsolute minimum, allowing the fibers to span freely in space between anchor points.Using carbon and glass fibers with a resin matrix, it exhibits high potential for light-weight, material efficient building elements. While previous research demonstrated itsapplicability in shell, roof and long-span structures, the potential in using this methodfor multi-story wall and slab systems has not been thoroughly investigated. This paperelaborates on methods to develop structural wall components built entirely of carbonand glass fiber composite, which are specifically tailored to meet the requirementsof multi-story construction in architecture. A computational design method basedon tangent-based approximation was developed to generate bespoke fiber patternsand openings, allowing the wall components to act as load-bearing elements. Thisfacilitates the generation of a multitude of pattern variations which can be adaptedto axisymmetric and asymmetric boundary conditions. Structural performance of thebuilding elements is evaluated throughout the design process by means of finite ele-ment analysis establishing a feedback loop between design, robotic fabrication andstructural evaluation and informing the optimisation of the wall geometry and fiberlayup. The developed methods were successfully applied in the design and fabricationof a multistory fiber installation exhibited at the 17th Architectural Biennale in Venice.It demonstrates the potential of coreless wound load-adapted fibrous walls as archi-tectural building components leveraging integrative computational design, structuralengineering and robotic prefabrication.

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Curved, surface-active, shell structures are known for material efficiency and slenderness but typically require complex manufacturing and formwork in combination with intricate on-site construction processes. The presented research proposes an alternative approach: a self-shaping building system for deploying lightweight, curved surface structures made from timber. The system uses the inherent hygromorphic properties of wood which naturally shrinks through drying. This anisotropic shape change is embedded into large-scale bilayer sheets - produced, machined, and shingle clad in a flat state with their later curved shape and connection detailing physically programmed within the material build-ups. When placed on-site, these sheets actuate through air drying to a final curved and interlocked geometry. Geometrically the structure is integratively designed from variable single curved surfaces using key material parameters (end grain angle and moisture content change) within a material stock, in relation to both the self-shaping and the final structural configuration. Each surface is modeled in the curved state using a board specific algorithmic calculation of curvature potential in parallel to a flat fabrication model. Emphasis is placed on investment in early-stage planning and intelligent material arrangement as a method to produce useful curvature. As a result, the curved shell shapes and interlocks without formwork or external mechanical force, with little onsite work. The outcome is a lightweight, longspan roof structure built from single curved wood surfaces with a thin cross-laminated build up. The project demonstrates a tangible new method of low impact, light touch self-construction and an ecologically effective use of material and geometry.

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This paper proposes an interactive computational approach for designing the layout of timber column-slab structures in a material-saving and structural-performance aware manner. The generated column slab layout meets the serviceability limit state deflection criteria by integrating gradient-based optimization within an agent system approach. This was achieved by extending the ABxM framework with an interactive design framework termed Timber Column Slab (TCS) solver. This solver is underpinned by three data structures: Firstly, an agent system representing a column-slab system for layout exploration. The finite element (FE) model that computes the slab’s nodal displacements, which enables rapid serviceability checks at each agent-system update in a real-time loop. With the TCS extension, the agent-based model uses the numerical analysis results to refine the decision of the adaptive agents. The real-time interaction built within the agent-based model is responsible for the live user guidance and design software integration. The proposed methodology has been built with multiple scientific stacks and encapsulated into an open-source framework in a C# environment. The developed method is tested on a wide range of real building floor plans of different scales and typologies, demonstrating how effective it is compared to previous efforts.

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The application of non-renewable building materials including concrete and metals in construction industries have caused a major impact on the environment including the destruction of more than 45% of the global resources, the consumption of 35% of energy and nearly 40% of energy-related emissions (UN Secretary-General’s High-Level Panel on Global 2012). In order to help in reducing these extending impacts, the building sector started considering three reduction of these dreadful impacts through increasing the environmentally-friendly building materials with Natural Fiber Reinforced Polymer Composites (NFRP), specially through WPCs (Wood Polymer Composites) since the 90s. The use of natural fibers in composites form in the building sector is historically applied since the phrase time when straw and mud were mixed to form the first known bricks in history. After the discovery of cement, it became the largest dominant material in the industry till our current time, in spite of its huge environmental damage. Natural fibres (NF) have been mostly applied in non-structural applications. Accordingly, this paper discusses applying reinforcement scenarios in the form of novel core and veneer reinforcement to enhance a load-bearing capacity to reach to improved mechanical properties that could enable building a demo- shell construction system. In this research natural fiber reinforced polymer composite (NFRP) produced from agricultural residues in the form of straw fibres (SF) mixed with three different types of polymers including (polylactide (PLA), a TPE (Thermoplastic elastic polymer) and high-density polyethylene (HDPE)) were developed through extrusion processes, then laminated or veneered to elevate the material properties needed to be reached to apply in load-bearing structures. The thermoplastic elastic polymers (TPE) were applied to enhance elasticity and flexibility in reaching sophisticated geometries. The mechanical strength was controlled by veneering. The targeted and reached material properties were applied in structural simulations that were later used in predicting the structural performance of a physical experimental shell construction that were built to validate the settled hypothesis of reinforcement of elastic/semi-elastic lignocellulosic cores to be applied in load-bearing systems. The paper will highlight the material samples development and testing, followed by an analysis and interpretation to the possibility of usage and appliance in load-bearing structures. Finally, the physical built demonstrator in the form of the experimental shell construction is shortly illustrated to showcase the validity of the settled hypothesis.

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In recent years, the coreless filament winding (CFW) technique has gained attraction due to its capacity to effectively realize large-scale lightweight building components out of fibre-reinforced composites. However, the sequential nature of its filament- based production process imposes a series of design constraints that restrain the use of this technique in new typologies and applications. The current research introduces a novel shape optimisation-to-fabrication method that expands the scope of CFW to- wards the production of load-bearing components for slabs. A multi-stage workflow is proposed, integrating parametric design, shape optimisation, stress-driven mate- rial layup, and fabrication to ensure a high level of consistency between form and materialization. The research is presented in two phases. The first phase explores the use of shape optimisation to comprehend the underlying logic of shell forms capable of performing under the specific requirements of the slab scenario. The sec- ond phase integrates the inherent conditions of the material, formwork system, and robotic filament winding process into a seamless design-to-manufacturing workflow. The research resulted in a 10.2 kg prototype of a slab load-bearing structure that withstood a load of 559 kg while spanning 2.7 m, demonstrating the effectiveness of the approach.

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Faserverbundwerkstoffe, auch als faserverstärkte Kunststoffe bezeichnet, haben wegen ihrer hervorragenden Werkstoffeigenschaften schon seit Langem einen festen Platz in der Luft‐ und Raumfahrttechnik, der Sportgeräte‐ und Automobilindustrie etc. Im Bauwesen sind sie noch selten, finden aber zunehmend Anwendung in Brücken, Fassaden, Windrädern oder als Verstärkung von Betonbauteilen. Der Beitrag gibt planenden Ingenieurinnen und Ingenieuren eine Zusammenstellung der Ausgangswerkstoffe, der Herstellungs‐ und Verarbeitungsverfahren, der bauaufsichtlich eingeführten technischen Regeln und zugelassenen Bauprodukte sowie der Bemessungskonzepte. Außerdem werden gebaute Beispiele gezeigt. Ziel ist es, den Vorteilen dieser Bauart, wie z. B. geringes Eigengewicht bei hoher mechanischer Festigkeit und Steifigkeit, Frost‐Tausalzbeständigkeit, niedrige thermische Leitfähigkeit, freie Formbarkeit etc. ein breiteres Anwendungsspektrum zu ermöglichen.

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In architectural research, pavilions play a special role because, as temporary structures, they present an opportunity to investigate specific issues without having to fulfill all requirements for permanent buildings. The findings resulting from this investigation can then be utilized in the design and implementation of permanent buildings. In this contribution we describe the context in which the Rosenstein Timber Pavilion was created, and the special issues that were investigated in the project, as well as the knowledge gained from it. In addition, we provide an outlook on other current research topics in the field of segmented timber shells and their application in architecture.

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Brücken und Dächer werden oft durch verzweigte Stahlstützen getragen. Diese sind in ihrer Herstellung meist teuer und energieaufwendig. In der Natur gelingt es Pflanzen, ähnlich stabile und häufig noch komplexere Verzweigungen durch natürliche Wachstumsprozesse zu bilden. Sie können mechanischen Belastungen mühelos standhalten, wie zum Beispiel ihrem Eigengewicht, Winddruck, Schneelast oder schweren Früchten. Um den Erfolgsstrategien verzweigter Bäume und Sträucher auf den Grund zu gehen und von ihnen für die Architektur zu lernen, bedarf es nicht nur eines genauen Blicks auf die Form der Verzweigung und ins Innere der Pflanzen. Auch Computermodelle sowie neue Materialien und Methoden für die Herstellung verzweigter Stützstrukturen im Bauwesen sind für solche Übertragungen in die Technik notwendig.

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Der spannende und vielseitige Leistungsumfang der Ingenieure im Bauwesen wird in der Öffentlichkeit selten als solcher wahrgenommen. Dabei ist die Bauwirtschaft nicht nur eine der Schlüsselindustrien in wirtschaftlicher, sondern auch in sozialer bzw. gesellschaftlicher Hinsicht: Ohne Bauten und Infrastruktur ist unser modernes Leben schlichtweg unvorstellbar. Das Ziel der Publikation ist es daher, den Beruf des Ingenieurs – stellvertretend für die gesamte Branche – so darzustellen, wie er ist: faszinierend, kreativ, umfassend und innovativ.Ingenieurpersönlichkeiten und deren Innovationen werden dazu vor dem Hintergrund der jeweiligen gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und politischen Einflüsse dargestellt – von der Historie kommend mit dem Schwerpunkt auf aktuellen Projekten.

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Pflanzen besitzen weder Muskeln noch „klassische“ lokale Gelenke – und können sich dennoch bewegen. Im Laufe der Evolution sind effiziente Bewegungsmechanismen und ästhetische Bewegungsformen entstanden. Aus diesem „Angebot“ der Botanik schöpfen Architekten und Ingenieure in Zusammenarbeit mit Biomechanikern Inspiration für die Entwicklung neuartiger Verschattungssysteme für moderne Gebäude.

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Plant movements can inspire deployable systems for architectural purposes which can be regarded as ideal solutions combining resilient bio-inspired functionality with elegant natural motion. Here, we first give a concise overview of various compliant mechanisms existing in technics and in plants. Then we describe two case studies from our current joint research project among biologists, architects, construction engineers and materials scientists where the aesthetic movements of such role models from the plant kingdom are analysed, abstracted and implemented in bioinspired technical structures for sustainable architecture. Both examples are based on fast snapping movements of traps of carnivorous plants. The Waterwheel plant (Aldrovanda vesiculosa) captures prey underwater and the Venus flytrap (Dionaea muscipula) snaps in the air. We present results on the motion principles gained by quantitative biomechanical and functional-morphological analyses as well as their simulation and abstraction by using e.g. Finite Element Methods. The Aldrovanda mechanism was successfully translated into a similarly aesthetic and functional technical structure, named Flectofold, which exists in a prototype state. The Flectofold can be used as a façade shading element for complex curved surfaces as existing in modern architecture.

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Aiming to support the current research on bending-active plate structures, this paper discusses the topic of form-finding and form-conversion and presents examples to illustrate the formal and structural potential of these design strategies. Following a short introduction into the topic, the authors reflect on the specific challenges related to the design of bending-active plate structures. While previous research has mainly focussed on a bottom-up approach whereby the plates first were specified as basic building blocks and the global shape of the structure resulted from their interaction, the main emphasis of this paper lies on a possible top-down approach by form-conversion. Here, the design process starts with a given shape and uses surface tiling and selective mesh subdivision to inform the geometrical and structural characteristics of the plates needed to assemble the desired shape. This new concept entails some constraints, and the paper therefore provides an overview of the basic geometries and mechanics that can be created by following this approach. Finally, to better demonstrate the innovative potential of this top-down approach to the design of bending-active plate structures, the authors present two built case studies, each of which is a proof of the concept that pushes the topic of form-conversion in a unique way. While the first one takes advantage of translating a given shape into a self-supporting weave pattern, the second case study gains significant structural stability by translating a given form into a multi-layered plate construction.

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Seit 2012 werden am ITKE (Universität Stuttgart) Einsatzmöglichkeiten faseroptischer Sensoren mit Bragg‐Gittern zur Spannungsmessung auf Glasoberflächen und in Glaslaminaten erforscht, wofür die Sensoren aufgrund ihres geringen Durchmessers (< 0,2 mm), ihrer Robustheit, der Aufnahme mehrerer Sensoren auf einer Faser und der Verwendung eines Lasermesssignals besonders ge‐eignet sind. Die Entwicklung einer transparenten, autoklavgeeigneten Verklebung der Sensorfaser mittels Versuchen, numerischen und analytischen Modellen hat die Anwendung zum kontinuierlichen Echtzeit‐Spannungsmonitoring in laminationsgebogenen Gläsern ermöglicht. Das Potential konnte mittels eines begehbaren, sensitiven Glasbogens auf der glasstec 2014 gezeigt werden.

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Concrete double-curved shell constructions have been used in architectural design and building constructions since the beginning of the twentieth century. Although monolithic shells show a high stiffness as their geometry transfers loads through membrane forces, they have been mostly replaced by the more cost-efficient lattice systems. As lattice systems are covered by planar glass or metal panes, they neither reach the structural efficiency of monolithic shells, nor is their architectural elegance reflected in a continuous curvature. The shells of sand dollars’ – highly adapted sea urchins – combine a modular and multi-plated shell with a flexible, curved as well as smooth design of a monolithic construction. The single elements of the sand dollars’ skeleton are connected by calcite protrusions and can be additionally supported by organic fibres. The structural efficiency of the sea urchin’s skeleton and the principles behind them can be used for innovations in engineering sciences and architectural design while, at the same time, they can be used to illustrate the biological adaptations of these ecologically important animals within their environments. The structure of the sand dollar’s shell is investigated using modern as well as established imaging techniques such as x-ray micro-computed tomography (μCT), scanning electron microscopy and various optical imaging techniques. 3D models generated by μCT scans are the basis for Finite Element Analysis of the sand dollar’s shell to identify possible structural principles and to analyse their structural behaviour. The gained insights of the sand dollar’s mechanical properties can then be used for improving the state-of-the-art techniques of engineering sciences and architectural design.

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In architecture and construction engineering, a vast number of connections and branched columns in frame structures exist that are exposed to high static and dynamic loads. The manufacture of many of these elaborate structures is both time-consuming and costly. Industry has no solution for cost-effectively producing aesthetic and mechanically stable branched columns. This challenge is addressed by the development of branched structures inspired by branched biological concept generators such as Schefflera arboricola. Here, we present methodological approaches allowing the reconstruction of the outer shape and inner structure of complex branching regions, such as in S. arboricola, by using and combining three-dimensional-image stacking of histological thin sections, micro-computer-tomography (μCT) imaging and laser scanning. Computer-aided design (CAD) and Finite Element (FE) models of such structures can then be produced that not only help to provide a better understanding of the functional morphology and biomechanics of the biological concept generator, but also render the basis for the intended biomimetic transfer to branched columns consisting of a braided hull filled with concrete. The current project results are mainly based on the analysis of S. arboricola branching and the results of a previous research project (SPP 1420) in which biomimetic branched fibre-reinforced plastic (FRP) columns inspired by the branching structure of Dracaena were produced. Currently a biomimetic hull geometry that can be manufactured industrially is developed. Initially, branched FRPs based on triaxial braids with readily adjustable mechanical properties are filled with concrete and thus shall achieve sufficient mechanical properties for application and cost-effective fabrication in the building industry.

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STRABAG SE ist ein großer europäischer Technologiekonzern für Baudienstleistungen, der sämtliche Bereiche und die gesamte Bauwertschöpfungskette der Bauindustrie abgedeckt. Frühzeitig wurde das Potenzial von Building Information Modeling (BIM) für den Konzern STRABAG SE erkannt und die Notwendigkeit, dieses Potenzial mit allen Baubeteiligten zu realisieren. Seit 2006 beschäftigt sich die Abteilung 5D-Planung innerhalb der Zentralen Technik exklusiv mit der Entwicklung, Anwendung und Umsetzung von BIM innerhalb des Konzerns. In der 5D-Abteilung sind die wichtigen technischen BIM-Kompetenzen des Konzerns gebündelt. An den Standorten Stuttgart und Wien werden Vorlagen und Richtlinien für die Anwendung von BIM durch operative Einheiten der STRABAG SE erstellt, BIM-Ausführungsprojekte weltweit unterstützt, BIM-Manager für Projekte ausgebildet und BIM-Schulungen durchgeführt. Dieses Kapitel erläutert die Ziele der 5D-Planung im Bauprozess sowie die Umsetzung von 5D anhand einer 5D-Roadmap und verdeutlicht anhand aktueller Anwendungsthemen einige erfolgreiche Beispiele aus der Praxis.

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The research presented in this paper pursues the development and construction of a robotically fabricated, lightweight timber plate system through a biologically informed, integrative computational design method. In the first part of the paper, the authors give an overview of their approach starting with the description of the biological role model and its technical abstraction, moving on to discuss the computational modelling approach that integrates relevant aspects of biomimetics, robotic fabrication and structural design. As part of the validation of the research, a full-scale, fully enclosed, insulated and waterproof building prototype has been developed and realized: The first building featuring a robotically fabricated primary structure made of beech plywood. Subsequently, the methods and results of a geodetic evaluation of the fabrication process are presented. Finally, as the close collaboration between architects, structural and geodetic engineers, and timber fabricators is integral to the process, the architectural and structural potentials of such integrative design processes are discussed.

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The paper presents a bottom-up design process based on the transfer of biomimetic design principles and digital fabrication strategies for modular fibre-based structures, as demonstrated on a full-scale prototype pavilion. Following the analysis of the structural principles of the beetle elytra, the material differentiation and the morphologic principles of the biological role model are transferred into design and fabrication strategies. Simultaneously, developments of a coreless robotic winding method for glass and carbon fibre reinforced composite elements are incorporated into the design process. The computational set-up developed for the entire workflow is presented, showing the integration of structural analysis with digital simulation, which enables the automatic generation of the robotic winding syntax for individually differentiated components. The investigations, simulation, fabrication and assembly process, which led to the realisation of a highly efficient lightweight architectural prototype, are explained in the current paper.

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Glas wird oft lastabtragend eingesetzt, wobei aus Gründen der Sicherheit und des Tragverhaltens Laminate zum Einsatz kommen. Insbesondere kalt gebogene, durch Lamination formstabilisierte Gläser sind ein zunehmend nachgefragtes Produkt. Herstellungsprozess und Nutzung führen in solchen Laminaten zu teils unbekannten Spannungen, welche die Aufnahme äußerer Einwirkungen begrenzen. Optische Messverfahren mit polarisiertem Licht erlauben keine Erfassung dieser Spannungen. Dünne, innen auf die Gläser geklebte faseroptische Sensoren stellen eine mögliche Lösung dar: In Versuchen an kalt gebogenen Gläsern wird gezeigt, dass optische Sensorik dem Laminationsprozess standhält und sich für kontinuierliche Dehnungsmessungen in Glaslaminaten eignet.

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Our society is experiencing the emergence of novel nonstandard building systems unlocked by digital technologies in the building sector. The utilisation of computational design processes and digital fabrication, coupled with the exploration of new materiality, bring the potential to break with conventional ways of building. However, they also demand new ways of designing and proving the structure's safety. This dissertation aims to develop an integrative structural design methodology and workflow to design, optimise and validate non-standard building systems. Therefore, a multiscale, digital-physical approach is proposed, which combines structural simulation with small-scale models and material testing, allowing the structure's optimisation and proof of safety. The first two chapters explain the research motivation, objectives and ontextualisation. Historical remarks are given to understand the evolution of structural design and the key aspects that created innovation and non-standard systems in the past. Coreless filament winding (CFW) is also introduced here as a representative example of non-standard building systems. Chapter three contains the publications that describe the development of the integrative structural design methodologies through coreless filament wound structures as a case study. All the publications are supported by CFW specimens or full-scale built demonstrators, including BUGA Fibre Pavilion, Maison Fibre and LivMatS Pavilion. Chapters four and five summarise the results, generalising the workflow from CFW structures to non-standard building systems into four sub-methods: multi-level modelling and evaluation; structural characterisation; integrative design; and optimisation and safety verification. The discussion locates the integrative structural design in the historical context and analyses the strategies to prove the safety of other non-standard systems. The conclusion emphasises the potential of this methodology to shorten the gap between research and industry, facilitating the realisation of innovative structures.

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Due to advantages, such as a low mechanical complexity, low weight, and the absence of friction of wear, compliant kinetic systems are increasingly used, including for large-scale applications like facade shading. To exploit the advantages also for the actuation, bio-inspired joint-free actuators were developed within two case studies. Both actuation principles proved their potential to actuate 2-dimenional compliant devices within physical prototypes. Additionally, adaptive stiffness concepts were developed to potentially increase the load bearing capability temporarily. Following a biomimetic top-down approach, the leaf folding of the model plant Sesleria nitida caused by turgor variations within large bulliform cells was investigated using a FEA. The turgor pressure opens the leaf against a present pre-stress. Turgor and volume variation within the bulliform cells that result from fluctuations in water availability generate forces high enough to fold and unfold the leaf. This pressurize-based actuation principle is abstracted to a technical cellular structure constructed from GFRP (glass fibre-reinforced plastic) cells with compliant hinges. An increase in inner cell pressure causes a reconfiguration of the cell and an overall bending motion of the actuator. At the same time, thin-walled plant tissues show a strong turgor dependent stiffness. By adding a second, counteracting cell row that decouples deformation from absolute pressure, this can be realized also in the technical actuator. The bending motion is now determined by the pressure ratio, and the stiffness by the pressure magnitude. Within physical and numerical experiments, the stiffness of a cellular actuator increases by a factor of 2.5 at a pressure increase of 1 bar. Within the second case study, a pneumatic actuation that is fully integrated into a GFRP laminate was developed. The wing vein ultrastructure of Graphosoma lineatum italicum inspired the laminate built-up of the GFRP with an integrated pneumatic pouch. By surrounding the pouch with an elastomeric layer, analogous to the resilin bearing endocuticle within the biological model, a delamination of the laminate layers is prohibited. The approach allows a simple fabrication, and slender, homogenous appearance. Upon an internal pressure increase, the eccentric placement of the pneumatic pouch and the greater compliance of the thinner layer results in a rotation into that direction. This way a folding motion is realized by a pouch placed in a hinge zone of greater compliance. A quasi-uniform bending is created by placing a segmented large-surface pouch integrated in a plate of distributed compliance. The adaptive stiffness is added by an antagonistic actuator set-up inspired by opposing muscles used to control and stiffen skeletal joints. For a GFRP plate an increase in stiffness of 60% was achieved at 1.8 bar internal pressure.

Zusammenfassung

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Knotens für verzweigte Tragkonstruktionen aus betongefüllten Faserverbundwerkstoffen in der Architektur und im Bauwesen. Basierend auf der Analyse der Funktionsprinzipien pflanzlicher Verzweigungen wird ein biegesteifes Bauteil mit hohen Beanspruchbarkeiten und großer geometrischer Gestaltungsfreiheit entwickelt. Biologisches Vorbild sind ausgewählte pflanzliche Verzweigungen der Araliengewächse, die hinsichtlich ihrer Effizienz des Lastabtrags untersucht werden. Um transversal isotrope Materialien in der strukturmechanischen Simulation berücksichtigen zu können, wird eine Methode zur Ermittlung der Faserorientierungsinformation aus Mikro-Computertomografie-Daten erarbeitet. Das Konzept der Bauteilentwicklung beruht auf den vorgefundenen Prinzipien, wie dem Einsatz faserartiger Strukturen und deren lastangepasster Anordnung. Der verzweigte Tragknoten besteht aus einem Kern aus Beton und einer Hülle aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV). Um einen kontinuierlichen Verlauf der Carbonfasern über den Verzweigungsbereich und eine lastpfadangepasste Ablage zu ermöglichen, wird das Flechtverfahren zur Verarbeitung der textilen Verstärkung gewählt. Die FKV-Hülle nimmt Druckkräfte und Zugkräfte resultierend aus Momenteneinwirkung auf. Zusätzlich steigert sie die Drucktragfähigkeit des Betons durch Umschnürungswirkung, indem sie dessen Dehnung verhindert und einen mehraxialen Spannungszustand hervorruft. Belastungsversuche der Bauteile und deren numerisch-mechanische Analyse zeigen das Tragverhalten der neuen, hybriden Tragknoten und demonstrieren deren Funktionsfähigkeit sowie das Anwendungspotential für Verzweigte Konstruktionen.

Zusammenfassung

The inherent relation between aesthetic qualities and structural efficiency inherent on bending-active and textile hybrid structures is associated with a vast range of design opportunities for generating innovative architectural solutions. Exploring those opportunities is a non-trivial task demanding to expand outside current geometric modeling paradigms and develop an insightful and methodological simulation-based design practice. Considering that dynamic methods, such as Particle Systems (PS) and Dynamic Relaxation (DR), have become an important research trend with major advances only focused on speeding up numerical convergence, the main focus of this work is to develop a comprehensive approach for enabling topologic transformations with real-time physics named topology-driven form-finding that, during conceptual stages, can serve to extend design spaces by improving modeling freedom. A general introduction to bending-active and textile hybrid structures is presented in chapter 2. The following chapter then serves to introduce basic principles of PS and DR methods with an overview of mechanical formulations and integration schemes used throughout this work. Chapter 4 introduces the theoretical framework regarding the development of a generic topologic model with geometric and mechanic embeddings for the implementation of PS models supporting topologic transformations on the fly. Chapter 5 proceeds with the presentation of implementations along with a description of design and modeling implications. Different case studies in which the conceptual design development has been conducted via topology-driven form-finding approaches are presented in chapter 6. Finally, this thesis concludes with a discussion of methods and models developed, and a number of recommendations for future research.

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In dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen von Rest- und Abfallkunststoffen, für mögliche Anwendungen in Halbzeugen und Produkten für Gebäude untersucht. Dabei wurde ein besonderer Fokus auf die vergleichenden ökologischen Bewertungen von beispielhaften funktionellen Nutzungsszenarien gelegt. Ziel der Arbeit war es, zu ermitteln, welche Auswirkungen der Einsatz von Bauteilen aus thermoplastischen Recyclingkunststoffen auf die Ökobilanz eines Bauwerks haben kann. Aus ökologischer Sicht wurden dafür sinnvolle Anwendungen im Bauwesen identifiziert, bei denen durch den Einsatz von Bauteilen aus thermoplastischen Recyclingkunststoffen, die Lebenszyklusanalysen von Gebäuden und die damit in Verbindung stehenden Umweltauswirkungen beeinflusst werden können. Darüber hinaus besteht dadurch die Möglichkeit, dass die wertvollen fossilen Ressourcen nachhaltig erhalten bleiben und die Menge der anfallenden Kunststoffabfälle reduziert werden kann. In der ersten Phase wurde eine präzise Problembestimmung vorgenommen. Die Hintergründe des Themas wurden eruiert und aus dem derzeitigen Forschungsstand ein Ziel definiert. Nach der bisherigen Problemformulierung folgte die Eingrenzung des wie bereits oben beschriebenen Ziels der Arbeit, mit den zu erwartenden möglichen Auswirkungen. Mit dem Fortschreiten der Arbeit wurden die in der Problembestimmung getroffenen Aussagen auf deren Zusammenhang von Ursachen und Wirkungen kontinuierlich überprüft. Die Beschäftigung mit dem Thema Kunststoffrecycling ist unausweichlich. Mit der weltweit wachsenden Nachfrage nach der fossilen Ressource Erdöl und deren limitierten Fördermenge wird der Preis nicht nur für erdölbasierte Kraftstoffe, sondern auch für Kunststoffe in Zukunft erheblich steigen. Je früher mit der Erforschung und Optimierung alternativer Recyclingprozesse und der Möglichkeiten für die Anwendung der Rezyklatprodukte begonnen wird, umso geringer wird sich die Knappheit des Öls bemerkbar machen. Ein gesteigertes Umweltbewusstsein und wachsende Energiepreise führten im Bauwesen zur Energieeinsparverordnung (EnEV). Die Vorgaben der Verordnung werden regelmäßig erhöht, um damit neue Gebäude auf einen minimalen Energieverbrauch während der Nutzung zu trimmen. Das maximale Einsparpotential ist mit dem Passivhausstandard, bei diesem während der Nutzungsphase keine Energie mehr verbraucht wird, schon erreicht. Möglich wird dies hauptsächlich durch einen erhöhten Materialeinsatz. Dessen ungeachtet betrachtet die EnEV nur die Nutzungsphase der Gebäude. Die Produktionsphase und die Entsorgungsphase bleiben außen vor. Der kumulierte Energieaufwand (KEA), gibt „die Gesamtheit des primärenergetisch bewerteten Aufwands an, der im Zusammenhang mit der Herstellung, Nutzung und Beseitigung eines ökonomischen Guts (Produkt oder Dienstleistung) entsteht bzw. diesem ursächlich zugewiesen werden kann.“ (VDI-Richtlinie VDI 4600 Blatt 1) Zusammenfassung IV Der KEA oder auch umgangssprachlich bekannt als die „Graue Energie“ der Bauprodukte fließt bis jetzt noch nicht in die gesetzlich geforderte Energiebilanz von Gebäuden ein. Eine Verringerung des Gesamtenergiebedarfs ist zukünftig nur noch in der Erstellungs- und Entsorgungsphase möglich. Darüber hinaus wächst das Interesse an den potentiellen Umweltwirkungen der erstellten Gebäude. Dazu wird z.B. der „CO2 Fußabdruck“ berechnet. Mit diesem Wert allein kann jedoch noch keine Aussage über alle Umweltwirkungen getroffen werden, da es wesentlich mehr Faktoren gibt, die sich nicht proportional zueinander verhalten und innerhalb einer Ökobilanz betrachtet werden müssen. Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden in Zukunft die „Graue Energie“, die potentiellen Umweltauswirkungen und der Ressourcenverbrauch in einer gesetzlich verpflichtenden Ökobilanzierung von Gebäuden eingeschlossen werden, um dem Anspruch einer ganzheitlichen Nachhaltigkeit von Gebäuden näher zu kommen. Das DGNB-Zertifikat ist ein gutes Beispiel für eine solche Bilanzierung, es enthält die genannten Bestandteile bereits, ist aber noch nicht für alle Gebäude verpflichtend. Die durchgeführte Analyse des bestehenden Forschungsstandes enthält eine systematische Kategorisierung der verschiedenen Recyclingkunststoffe anhand ihrer unterschiedlichen Eigenschaften. Zudem wurden bereits bestehende Anwendungsbereiche und deren Anforderungen für Produkte aus Rezyklat identifiziert. Mithilfe von Software und Datenbanken zur Lebenszyklusanalyse können Verwertungs- und Recyclingwege analysiert und mit der herkömmlichen Herstellung von Kunststoffen aus fossilen Ressourcen verglichen werden. Der Hauptteil der Arbeit enthält vergleichende Bilanzierungen von unterschiedlichen funktionellen Einheiten. Dabei wurden Bauteile aus Rezyklatkunststoffen mit herkömmlichen Bauteilen aus Holz, Metall, Stein, Kunststoff und Faserzement hinsichtlich ihrer ökologischen Umweltwirkungen verglichen. Anschließend wurden diese in die ökologische Lebenszyklusberechnung zweier Referenzgebäude übertragen, um festzustellen, welche Auswirkungen thermoplastische Rezyklatkunststoffe auf die ökologische Nachhaltigkeit von Gebäuden haben können.

Zusammenfassung

Commonly referred to as bending-active, the term has come to describe a wide variety of systems that employ the large deformation of their constituent components as a primary shape-forming strategy. It is generally impossible to separate the structure from its geometry, and this is even more true for bending-active systems. Placed at the intersection between geometry, design and engineering, the principle objective of this thesis is to develop an understanding of the structural and architectural potential of bending-active systems beyond the established typologies which have been investigated so far. The main focus is set on systems that make use of surface-like elements as principle building blocks, as opposed to previous and existing projects that predominantly employed linear components such as rods and laths. This property places the analysed test cases and developed prototypes within a specific category of bending-active systems known as bending-active plate structures. The first chapters serve as a general introduction to the topic. An overview of relevant recent projects is presented in the introduction, followed by a discussion on the scope of research on bending-active structures. The following chapters lay the theoretical basis in terms of geometry of surfaces and mechanical behaviour of plates. This dual and complementary description serves as the necessary background to understand the limits and potential associated to the deformability of plate elements. The following chapter delves into the first of the two strategies developed as part of this research. Termed form conversion, this approach establishes a one-to-one relationship between the initial base surface and its bending-active counterpart. The chapter proceeds with the presentation of a series of full-scale prototypes that were realised to test the validity of the form conversion approach. Geometrical and mechanical features are discussed in the conclusion of the chapter. The second developed method, named embedded approach, is presented in the next section. This approach takes advantage of the inherent deformation properties of explicitly designed material patterns. The description of the method is followed by the presentation and discussion of the prototypes chosen to test the embedded approach. Finally, the thesis concludes with a critical discussion of the presented methods and a reflection on potential developments for future research.

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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.

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Shell structures are structurally efficient but difficult to manufacture and thus expansive. Actively bent grid shells and segmental plate shells could be alternatives. The first kind utilizes bended members to form a continuously curved geometry and thus reduce the complexity of the joints. The second kind utilizes the stability inherited in trivalent geometries to be able to build a shell without using bending stiff joints. Both these two types of timber shell structures could largely reduce the construction cost. That is why they are chosen as the research topics. The dynamic relaxation method (DR) is applied in this research as an important numerical method. It is used as the fundamental base for developing the form-finding tools of both actively bent grid shells and the segmental grid shells. A solver capable of the structural analysis of beam system is also developed here based on DR. Through the text, we show that DR could handle not only form-finding problems but also geometrically nonlinear analysis. The dissertation consists of four parts. Part I is the introduction. Part II and Part III present both the form-finding and analysis techniques of these two types of timber shell structures. The last part is the conclusions.

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This thesis lies at the intersection of architectural design, engineering, and biology. Inspired by flexible and robust structures found in nature, the research explores creative ideas that challenge our present understanding of mechanical constructions and offers an alternative to the prevailing paradigm of rigid-body mechanics. By exploring how the motion principles in flexible plant movements can be understood, abstracted, and transferred into novel design and fabrication processes; this thesis proposes innovative concepts that integrate hitherto neglected structural behaviors, such as bending and buckling. These behaviors are considered potential design drivers in the development of new kinetic structures. The first section offers a comparison between Kinetic Structures in Design and Kinetic Structures in Biology. While at first glance these two areas may seem entirely unrelated, they share much in common. A particularly interesting connection is provided by compliant mechanisms where technical devices obtain their Motion by the flexibility of their members and functionalize large elastic deformations. With these characteristics they are not that dissimilar to the motion principles found in plant leaves. The second section on Methodology is devoted to the transfer of knowledge between technology and biology. This section introduces the emerging science of biomimetics and generally discusses ist working methods while also outlining its practical use for this research. In the third section of this thesis, a transdisciplinary Framework is employed for a series of Case Studies. Here, seven exemplary plant movements are closely investigated and their Underlying motion principles are recreated by means of modern Computational simulation techniques. Based on these insights various bio-inspired compliant mechanisms are developed and transferred into adaptive facades shading systems. In the following section on Implementations, this technology is utilized for providing sun protection to doublecurved building facades and showcased on three conceptual projects. The thesis concludes with a reflection on the Research Contributions and Future Outlook of this work and thereby invites the next generation of researchers and designers to build up on this work, keeping these newly created bonds between the disciplines alive.

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Die vorliegende Arbeit stellt Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe in Ge-bäuden dar. Dies erfolgt an beispielhaften Modifikationen von Polylactid, einem Milch-säurekunststoff, 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 zeit-gemäße Weiterentwicklung dar. Die Rohstoffsituation lässt es sinnvoll erscheinen, Bio-masse 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 Kühl-zeit 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. Die Wasseraufnahme des PLA-APP-Compounds liegt bei 0 %. Nach zehn Tagen Was-serlagerung sind keine mechanischen Eigenschaftsverluste zu verzeichnen. Die durchschnittlich ermittelte Wärmeformbeständigkeit beträgt 79 °C (HDT-B). Um diese oder eine höhere HDT-B zu erreichen, muss der Werkstoff thermisch durch Tempern oder einer Weiterbearbeitung durch Vakuumverformen nachbehandelt werden. Möglich wäre auch das langsame Abkühlen der Platten bei der Extrusion. Für Außenanwendungen erscheint das entwickelte, opake Material geeignet. Brandversuche auf Bauteilebene müssen dessen ungeachtet noch durchgeführt werden. Das mit Ammoniumpolyphosphat modifizierte Polylactid basiert zu etwa 88% auf nach-wachsenden Rohstoffen. Der Polymerpreis ist annähernd mit dem von Polycarbonat zu vergleichen.

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Aus dem Bewusstsein für globale Umweltbedingungen, Nachhaltigkeitsprinzipien, ökologische Effizienz und architektonische Bedürfnisse heraus wurde in diesem Forschungsvorhaben das Potenzial von Reisstroh in der Bauindustrie sorgfältig untersucht. Reisstroh (RS) wurde als Beispiel für faserigen Pflanzenabfall gewählt, da diese Naturfasern weltweit zur Verfügung stehen, aber immer noch in großen Mengen auf den Feldern verbrannt werden. Die Zerstörung des nutzbaren Pflanzenmaterials führt zu Verlust von Energie, gleichzeitiger Luftverschmutzung und negativer Klimaveränderung. Bisher finden bereits Strohballen in der Bauindustrie Verwendung. Diese können jedoch die verfügbaren Strohmengen nicht aufnehmen und haben technische und ästhetische Nachteile. Demzufolge wurde hier vorgeschlagen, Stroh als Hauptbestandteil eines Bioverbundwerkstoffes anzuwenden, sowohl als Faserrohstoffquelle, als auch als ökologischen Füllstoff. In diesem Vorhaben wurden drei Bioverbundkunststoff-Gruppen aus Reisstroh und organischen Polymeren entwickelt. Die technischen Eigenschaften dieser Proben wurden auf ihre Verwendungsmöglichkeit in der Architektur hin getestet und analysiert. Zunächst wurde eine Reisstrohfaserplatte mit elastischem Binder und einem Faseranteil von 80% entwickelt. Diese erwies sich von hoher ökonomischer und ökologischer Bedeutung für eine mögliche architektonische Anwendung, die bisher erhältliche Faserplatten so nicht aufweisen. In der zweiten Baustoffgruppe wurden zwei thermoplastische RS- Biokomposite entwickelt, denen Reisstroh zu 20% Gewichtsanteil eines mit Silikat angereicherten Öko-Füllstoffs beigegeben wurde, um es als brandhemmendes Additiv im Zusammenwirken speziell mit Biokunststoff bewerten zu können. Biokomposite mit RS-PLA und RS-Lignin zeigten erhöhte Flammbeständigkeit aufgrund des 20%igen Fasergewichtsanteils. Die Entflammbarkeit von RS-Lignin-Biokomposit erreichte eine andere Materialklasse, nachdem Zellulose durch Reisstroh ersetzt wurde. RS-PLA wies erhöhte Flammbeständigkeit im Vergleich zu RS-PP auf, die weit unterhalb der Klassifizierung lag. Diese Ergebnisse leisten einen neuen wissenschaftlichen Beitrag auf diesem Gebiet, was bisher so nicht untersucht wurde. Als drittes entstanden zwei RS- Bioharz-Biokomposite, in denen 20% Gewichtsanteil RS-Fasern mit zwei Bioharzsystemen gemischt wurden. Dabei verwendete man je nach Art des jeweiligen Harzes unterschiedliche Herstellungsmethoden. Es fand ein Vergleich zwischen einem entsprechend zusammengesetzten RS-Biokomposit mit auf Erdöl basierendem Harz statt. Diese Gegenüberstellung machte deutlich, dass die RS-Bioharz-Biokomposite mechanischen Belastungen nicht so gut gewachsen waren wie RS-erdölbasierte Biokomposite. Dennoch zeigten die RS-Bioharz-Biokomposite eine hohe Witterungsbeständigkeit, wenn sie pigmentiert waren. Das könnte von großer Bedeutung sein, wenn diese umweltfreundlichen Materialien für Fassaden mit komplexen geometrischen Formen eingesetzt werden. Die drei entwickelten Reisstroh Biokomposit-Gruppen zeigen weitere Anwendungsmöglichkeiten von Fasern aus landwirtschaftlichen Reststoffen in der nachhaltigen Bauindustrie. Faser verarbeitende Industrien, wie Faserplattenherstellung und Produktion geformter naturfaserverstärkter Komposite, können Strohfasern aus der Agrarproduktion als sehr ergiebige und preiswerte Rohstoffquellen nutzen. Folglich kann durch die Verbreitung von billigeren und umweltfreundlicheren Biokomposit-Produkten in architektonischen Anwendungen die GesamtC02-Biilanz verbessert und teure fossile Rohstoffe und langsam nachwachsende Holzprodukte, die noch immer den Markt bestimmen, ersetzt werden.

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Continuously curved, highly transparent façades or roofs are increasingly demanded in architecture. Regularly curved or free-form building envelope shapes represent a rapidly growing market field in construction and project design. For such transparent roof or façade claddings, the necessary durability, strength and safety require laminated safety glass as the principle material. Whereas the faceting of curved surfaces to apply planar glass elements is a frequently used cladding solution, the employment of curved glass modules permits a more precise, smooth achievement of curved envelopes. Recent improvements in the industrialised fabrication of curved glass render the use of such elements increasingly attractive. The two main, but different, production methods to shape these modules are the heat bending and cold bending of glass. Plastic heat bending results in a stable glass shape permitting high curvature. However, any potential optical surface bumps, any remaining irregular local interior stress from production and the limited applicability of toughened glass impose restrictions on the use of heat bent glass. In contrast, elastic cold bending only allows for low curvature but provides high optical surface quality and Permits the unrestricted use of toughened glass. Stabilisation of the curved shape of cold bent glass without a retaining substructure can be achieved through the establishment of a shear compound of several elastically bent glass panes via lamination with polymeric interlayers. The bending stress remains in the glass. Despite the potential of this type of cold bent glass for construction purposes, comprehensive research approaches and the necessary stress- and shape-monitoring methods for glass laminates are lacking. Therefore, the characteristic properties and parameters influencing manufacture, the short- and long-term behaviour of cold bent glass, applicable numerical form-finding models and shape- and interior stress-monitoring methods have been investigated in the present work. The testing of real scale cold bent glass specimens with respect to displacement and stress permits the verification of the analyses. Close range photogrammetry has been applied to measure the threedimensional shape and recovery behaviour of bent laminates. A new method for permanent real-time Monitoring of the interior stress in the laminate by applying thin, barely visible, fibre-optical Bragg-grating sensors with transparent adhesive bonding has been developed. Fibre optical sensing has been examined and evaluated and is discussed as a possible monitoring system applicable to multi-layered glass units. Based on the accumulated modelling and testing results, information regarding the behaviour and the design of cold bent laminationstabilised glass and the potential of fibre-optical monitoring for glass laminates is provided as a working basis in the conclusion to this work.

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This thesis aims to provide general insight into form-finding and structural analysis of bending-active structures. The work is based on a case study approach, in which findings from prototypes and commercial building structures become the basis for generalised theoretical investigations. Information is continuously fed back from these case study structures into theoretical research, which creates the basis for overall working methods. The behaviour of five investigated structures is found to be Independent of clearly predictable load bearing categories. Their load bearing mechanisms are largely dependent on the boundless variety of topologies and geometrical expressions that may be generated. The work therefore understands active bending as an approach to generating new structural forms, in which common load bearing behaviour is found due to the structures inherently large elasticity and inner stress state. Based on engineering and historical background, methodological, mechanical and material fundamentals of active-bending are discussed in Chapter B and C. The case study structures introduced in Chapter D open a wide field of active-bending applications, in lightweight building structures. Whether the conclusions drawn from case studies, are generally viable for bending-active structures is then discussed in the core of the work presented in two chapters on Form-Finding (Chapter E) and Structural Behaviour (Chapter F). The chapter on form-finding introduces the working methods and modelling environments developed for the present work. The chapter on structural behaviour is concerned with the influence of residual bending stress on the stiffness, scaling and stability of bending-active structures. Based on these findings, generalised design rules for bendingactive structures are highlighted in a concluding chapter.

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The development of fiber-reinforced composites (FRP) began about 60 years ago. At the beginning of this period the first body parts for the Corvette were produced from FRP. The fi rst glider was constructed of fi berglass-reinforced plastic at the University of Stuttgart. Between 1956 and 1970, approximately 70 different plastic types of houses had been developed. Some of the unique plastic houses, like the Monsanto House, Futuro, Rondo, etc., are still regarded as examples of developments during this period. Despite the enormous public response these houses disappeared back in the 70s. This was due in part to the building design and building physics problems and in part to the lack of an appropriate architectural implementation. In the last two decades, the use of CFRP composites as a reinforcement for concrete members has emerged as one of the most exciting and promising technologies in materials / structural engineering. They have risen in importance due to their ideal material properties, namely light weight, fl exibility on site and interesting areas of application. They are used primarily for the rehabilitation and strengthening of support structures and present here a performance alternative to conventional steel plates. Due to the high price of CFRP-Strips their application today is mostly found in buildings, where their strength is highly utilized and the strips are needed in small quantities, e.g. for the strengthening and rehabilitation of reinforced concrete structures. The CFRP-Strip is glued to the concrete structure with an epoxy resin mortar. In this case, about 12% of its tensile force can be utilized. Due to the high cost of carbon fi ber material, this significant restriction reduces the effi ciency of this process. In the meantime, new developments and research focus on direct gluing of pre-stressed CFRP-Strips on reinforced concrete constructions in order to improve their stability. The applied prestress increases the degree of utilization for the CFRP-Strip, while at the same time the pre-stressed CFRP-Strips need to anchor their force locally into the concrete. This is not easy due to the sensitivity of the carbon fi bers to transverse loads. The development of CFRP-Strip anchorage is presently under investigation in many research institutions and universities. This strip could also be used for external prestressing of bridges or for slabs building structures. Because of the fl at and broad cross section of a CFRP-Strip, the lateral strain at the bearing saddle and the end anchorages is smaller than that induced by circular tension members, and this may be of advantage. At present, knowledge of the deviated CFRP-Strips is still missing: How does load bearing capacity change, if the CFRP-Strip is deviated on a saddle and stressed? The aim of this work is to gain an initial understanding of diverted FRP strips to evaluate their suitability as external tendons. For this purpose, the work is divided into two main parts. Part 1: Static tests on deviated CFRP-Strips The fi rst part consists of a series of experiments to determine the load bearing capacity, strain responses up to failure and the failure mode of CFRP-Strips at different deviation saddle geometries. Part 2: Experiments with a relative movement to the Deviation saddle A very important effect was not being captured by the Experiments in part 1, namely the movement of the strip on the deviation saddle during the prestressing process. Furthermore, the deformation of the strip which occurs under loading can infl uence the fracture load. In order to capture this effect, experiments with relative strip movement to deviation saddle were carried out according to the ETAG 013, Annex B5.1.

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Faserverbundwerkstoffe eignen sich aufgrund ihres geschichteten Aufbaus besonders gut für die Integration zusätzlicher Funktionalitäten. Dabei können einerseits die Werkstoffeigenschaften gezielt optimiert werden, andererseits ist es möglich, mehrere Komponenten in einem Element zu vereinigen. Der umgebende Faserverbundwerkstoff schützt die strukturintegrierte Funktionalität, was zu robusten Systemen führt. Für architektonische Anwendungen sind die Integration von wärmespeichernden Materialien, der Einbau von Sensoren sowie die aktive mechanische Steuerbarkeit von Bauteilen von maßgeblicher Relevanz.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die Einbettung faseroptischer Sensoren in Verbundwerkstoffe eingehender untersucht. Dabei werden optische Fasern mit integrierten Reflexionsgittern (Bragg‐Gitter) verwendet ‐ die bei der Lichtleitung reflektierte Wellenlänge lässt einen Rückschluss auf Dehnung und Temperatur in der Sensorfaser zu. Durch die Strukturintegration werden die Dehnung der optischen Faser und damit der resultierende Messwert von der Beschichtung der Sensorfaser sowie dem lokalen Laminatgefüge und von Fehlstellen beeinflusst. Eine mikromechanische Analyse zeigt, dass der dreidimensionale Dehnungszustand in der Sensorfaser nicht dem Dehnungszustand im umgebenden Faserverbundwerkstoff entspricht. Temperaturdifferenzen und Dehnungen längs der Orientierung der Sensorfaser werden zwar affin in diese übertragen und können daher zuverlässig gemessen werden. Dehnungen senkrecht zur optischen Faser werden von dieser jedoch weniger stark wahrgenommen und deren Einfluss auf das Messergebnis variiert außerdem erheblich, in Abhängigkeit des Laminataufbaus und der Faserbeschichtung. Praktische Versuche bestätigen umfänglich die rechnerischen Vorhersagen und zeigen grundsätzlich eine gute Leistungsfähigkeit strukturintegrierter faseroptischer Sensoren. Die Untersuchungen bilden die Grundlage für die Entwicklung großformatiger Faserverbundbauteile mit automatisiert integrierten Sensorfasern. Die planmäßige Ermittlung von Querdehnungen ist bei strukturintegrierten Fasersensoren nicht zuverlässig möglich, weshalb deren Entkopplung erstrebenswert ist. Es hat sich als zielführend erwiesen, eine möglichst weiche Schutzschicht für die Sensorfaser einzusetzen, um die Effekte aus Querdehnung zu minimieren. Da die Messergebnisse von der Orientierung der optischen Faser und den mechanischen Kennwerten des Laminats abhängen, ist eine präzise Vorhersage der Korrelation zwischen Einwirkung und Messsignal schwierig. Daher wird ein künstliches neuronales Netz zur Auswertung der Daten entwickelt, welches die beschriebenen Streuungen ausgleichen kann. Eine exemplarische Untersuchung beweist die Leistungsfähigkeit neuronaler Netze für die Auswertung strukturintegrierter Sensornetzwerke. Damit wird es auch möglich, neben der quantitativen Dehnungsermittlung auch qualitative Einwirkungsszenarien zu beschreiben und zu detektieren.

Zusammenfassung

In the 21st century, as free form design gains popularity, free-form grid shells are becoming a universal structural solution, enabling merger of structure and facade into a single layer - a skin 31. The subject of the presented work is the optimization of grid structures over some predefined free form shape, with the goal of generating a stable and statically efficient structure. It is shown how combining design and FEM software in an iterative, Genetic Algorithms based, optimization process, stress and displacements in grid shell structures can be significantly reduced, whereby material can be saved and stability enhanced. Within this research, design and static analysis software are combined in order to perform a statical optimization of grid shells,generated over a given free form surface. A plug-in for Rhinoceros 3D (software based on NURBS 44 geometry representation) is developed, that uses Genetic Algorithms as an optimization method and implements automated iterative calls to Oasys GSA (commercial FEM static analysis software) in order to generate a statically optimal grid shell. To make this possible, within this research some new types of automatic grid generation are developed. Voronoi diagrams 11 were used together with the adapted Force-Density method 38 to develop a new type of grid structure that we called Voronax. In the presented work it was shown that, using the same free form surface, and using the same number of joints and structural members, we can generate much more efficient grid shells, when compared to the standard (uniform) grid structures, simply by modifying the structural grid, i.e., rearranging the structural members of the grid shell. The work presented offers an explanation of the entire method and how it can be constructed. The results of the experiments are there to prove its efficiency and credibility. Once it is proved that the method works, its application can take various forms and be left to the creativity of the user and the requirements of the specific project.

Zusammenfassung

Die Arbeit stellt ein integriertes Konzept aus einem hoch dämmenden Leichtbetonmaterial und einer vergussfreien Verbindungstechnik vor, die unter der Voraussetzung der trockenen Fügung der Bauteile den Ansprüchen eines nachhaltigen und wieder verwendbaren Bausystems für Wohngebäude in massiver Elementbauweise gerecht wird. Heutige Fertigteilbauweisen sehen die Verbindung der Bauteile über Verguss vor, die zu einem monolithischen Baukörper führen. Eine Nachnutzung ist am wirtschaftlichsten durch die Wiederverwertung zerkleinerten Abbruchmaterials möglich. Ein Weg, die Nachhaltigkeit von Betonfertigteilbauweisen zu steigern, besteht in der trockenen Fügung von Elementen, um diese nach einem abgeschlossenen Nutzungszyklus unbeschädigt zu trennen und der Wiederverwendung auf Bauteilebene zuführen zu können. Die notwendige Infrastruktur für diesen Nutzungsweg wurde in den letzten Jahren aus Anlass des Rückbaus von Plattenbausiedlungen erforscht und aufgebaut. Die Verbindung der Elemente erfolgt mit Hilfe eines Stecksystems, das im Zuge der Montage sowohl eine kraftschlüssige Verbindung der Elemente als auch die Übertragung von Medien (Wasser, Strom) über die Fuge ermöglicht. Im Rahmen eines durch das BMBF geförderten Forschungsprojekts wurde das bestehende System für den Einsatz als statisch wirksames Verbindungsmittel untersucht und in dieser Arbeit weiterentwickelt. Dies geschah insbesondere unter Berücksichtigung der im Betonbau auftretenden Toleranzen. Um die im Rückbau gewonnenen Elemente in gleichwertiger Nutzung wiederverwenden zu können, müssen diese einen fortschrittlichen energetischen Standard erfüllen. Die Arbeit befasst sich im ersten Teil mit aerogelhaltigen Leichtbeton, welcher aufgrund seiner extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit einschalige Außenwände ohne zusätzliche Dämmung ermöglicht. Dieses Vorgehen beinhaltet ein großes Vereinfachungspotential in der Planungs- und Fertigungsphase, und gewährleistet ausreichend Bauraum für die Integration der Leitungsführung im Element. Die erforderliche Steigerung der Festigkeitseigenschaften des Werkstoffs erfolgt durch eine Gefügeoptimierung auf der Grundlage des ultrahochfesten Betons. Um die besonderen Unterschiede und Gemeinsamkeiten dieses neuen Materials mit herkömmlichem Leichtbeton zu verdeutlichen, erfolgt eine gegenüberstellende Betrachtung der Werkstoffgrundlagen beider Materialien. Für die Ausbildung einer trockenen und demontierbaren Fuge zwischen den Elementen wird ausgehend vom Stand der Technik ein konstruktiver und lösbarer Fugenaufbau vorgeschlagen, der modular und montagegerecht konzipiert ist. Es werden Empfehlungen ausgesprochen, um die Elemente nach statischen und montagetechnischen Gesichtspunkten optimiert zu fügen. Durch experimentelle Belastungstests wurde die Tragfähigkeit und Steifigkeit des Verbindungssystems Munitec ermittelt, um dessen Anwendbarkeit als statisch wirksames Verbindungsmittel zu beurteilen. Anhand der Finite-Elemente Simulation eines Beispielgebäudes wird der Vergleich zwischen der herkömmlichen Bauweise mit Fugenverguss und einer Bauweise mit punktuell eingesetzten Verbindungsmitteln gezogen. Das untersuchte Verbindungssystem Munitec leistet nur in Kombination mit Verguss die erforderliche statische Wirksamkeit. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen erfolgt eine Neuentwicklung des Systems unter der Vorgabe des sofortigen Kraftschlusses und der reversiblen Einsatzmöglichkeit. Die FE-Simulation bestätigt die Funktionsweise dieses Konzepts und liefert Parameter für die Dimensionierung des Systems. Die Simulation des Tragwerks mit ausgefallenen Bauteilen erlaubt eine Aussage zur Robustheit des Systems.

Zusammenfassung

Free-form grid spatial structures and facades that follow the envelope surface of a complex-shaped skin, such as the DZ-Bank in Berlin (Frank 0. Gehry), the British Museum in London (Norman Foster), the My Zeil in Frankfurt (Massimiliano Fuksas), have become a very interesting issue in modern architecture. There are several important factors in such single layer lattice dome and complex-shaped spatial structures, for instance, optimal form finding and strong material strength and so forth, but the optimal design and analysis of connection are significant points in free-form spatial structures, because such extraordinary geometries and its continuously changing curvature can be defined by the angles of the connections' geometries, and the stiffness of connection can determine the stability of the whole free-form structure. Therefore, it is very important to recognize that the appropriate analysis and connection design have to be performed, in order to design the reasonable global single layer spatial structure and free-form spatial structures. General procedures For the FEA of four connection systems, bending stiffness (My and Mz) and axial force (F) tests were performed. These analyses include the modeling of the bolt assembly, the contact stiffness and the influence of bolt clearances, which were considered using two parameters, such that D..V=0.1 mm and 2.0mm. Due to a specific function of COMBIN39 in ANSYS, the moment-rotation behaviors and load-displacement curves could be transferred to nonlinear spring elements in global grid shells with 25 m and 50 m span that have three different rise-span ratios (0.1, 0.2 and 0.3), to realize the non linear characteristics of the connection systems. Results Connection system having two shear planes showed higher stiffness than those with one shear plane. On the other hand, node connectors with one shear plane were not as influenced by differing bolt-holes as those with two shear planes due to shape-of-joint behaviour. Secondly, the low connection stiffness with initial geometrical imperfection easily leads membrane stress to bending stress, so that the critical point of the grid shell occurred with low load failure factor. The influence of bolt clearance depends mainly on the node stiffness and rise-span ratio. The overall structural behavior of an imperfect high-rise grid shell can be very sensitive, displaying a large deviation of bending stiffness due to bolt clearances.

Zusammenfassung

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 77, 79 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 Modeliierungen 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 10 Abhängigkeit von der Zeit und innerhalb eines bestimmten Temperaturniveaus als hinreichend genau bestätigt werden.

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

„Die Geschichte der Architektur ist die Geschichte des Fensters", so Le Corbusier Anfang des vergangenen Jahrhunderts. Anordnung und Ausführung der.,Augen" in der Gebäudehülle, wie Le Corbusier metaphorisch umschrieb, bestimmen das Erscheinungsbild eines Gebäudes mehr als jedes andere Bauelement. Maßgeblichen Einfluss auf die optische Gesamtwirkung haben dabei weniger die transparenten, verglasten Bereiche der Fenster als vielmehr die Rahmenkonstruktionen, deren Profilgeometrien und flächenmäßiger Anteil. Letzterer beträgt bei marktüblichen Fenstersystemen knapp ein Drittel der Fensterfläche; in geometrisch besonders ungünstigen Fällen, beispielsweise bei sehr kleinen Öffnungen, bis zu 70%. Resultat ist in aller Regel ein unbefriedigendes gestalterisches Erscheinungsbild, begleitet zudem von Einschränkungen hinsichtlich der Grundfunktionen eines Fensters, nämlich der Versorgung des Innenraums mit Licht und Luft. Als Hauptursache für den relativ hohen Flächenanteil des Rahmenbereichs sind stetige Verschärfungen der wärmeschutztechnischen Anforderungen an die Gebäudehülle während der letzten 30 Jahre anzuführen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden folgerichtig sukzessive wärmetechnische Verbesserungen an Verglasung und Rahmen vorgenommen. Zugunsten energetischer Effizienz gerieten optische Aspekte allerdings zunehmend in den Hintergrund. Eine rückwirkende, gestalterische Korrektur dieser Entwicklung ist jetzt - unter Verwendung herkömmlicher Rahmenmaterialien und üblicher Konstruktionsweisen - nicht mehr möglich, weil dann die geltenden wärmetechnischen Grenzwerte nicht einzuhalten wären. Mithilfe der Verwendung glasfaserverstärkten Kunststoffs (GFK) als Rahmenmaterial und dank dessen spezifischer Eigenschaften lässt sich die umgekehrte Proportionalität zwischen Filigranität und wärmetechnischer Wirksamkeit durchbrechen, denn GFK vereint - im Gegensatz zu herkömmlichen Rahmenmaterialien – geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Festigkeit. Ausgesprochen vorteilhaft ist ferner, dass die Temperaturdehnzahlen vor Glas und GFK annähernd identisch sind; dies ermöglicht zwängungsfreie, kraftschlüssige Verklebungen von Verglasung und Rahmen. Die Verglasung trägt dann den Rahmen und nicht umgekehrt, wie es bei herkömmlichen, verklotzten Systemen der Fall ist. Weil der Rahmen dann kaum noch statische Aufgaben zu erfüllen hat. können die Profilquerschnitte deutlich reduziert werden. Zugleich sind dank der geringen Wärmeleitfähigkeit von GFK trotz der reduzierten Profile Rahmenprofile durchaus gute wärmetechnische Werte erreichbar. In Konsequenz erweitert sich der gestalterische Handlungsspielraum in Relation herkömmlichen Rahmenkonstruktionen aus Aluminium, Holz oder PVC um ein Vielfaches. Die Entwicklung von Fenstersystemen mit verklebtem GFK-Rahmen steht momentan noch am Anfang; derzeit sind auf dem Markt keine solchen Fenster- oder Fassadenkonstruktionen erhältlich. Demzufolge fehlt eine konkrete Ausgangslage, weswegen im ersten Teil der Arbeit zunächst erste Konstruktions- und Gestaltungskonzepte für GFK-Glas-Fenster zu entworfen und entwickelt werden. Oberste Priorität besitzt hierbei eine maximale Reduzierung der Rahmenkonstruktion bei gleichzeitiger Erfüllung der bestehenden wärmeschutztechnischen Anforderungen. Als gestalterisches Vorbild für die GFK-Konzepte dienen Konstruktionen aus Zeiten in denen Wärmeschutz bei Fenstern noch eine untergeordnete Rolle spielte und gestalterische Aspekte im Vordergrund standen. Dies sind - aufgrund ihrer Filigranität und,einfachen" Konstruktionsweise – insbesondere Stahlfenster aus dem frühen 20. Jh.. Ob und inwiefern durch entsprechende Konstruktionen aus GFK die aktuellen wärmetechnischen Anforderungen erfüllt werden und wo unter Umständen Optimierungen an den entwickelten Konzepten notwendig sind, wird durch umfassende Untersuchungen in Simulation und Experiment geklärt. Diese Diagnostik bildet zugleich den zweiten und Kernteil der Arbeit. in der Forschungsarbeit werden folgende drei Konstruktionskonzepte aus GFK und Glas unter Berücksichtigung gestalterischer Aspekte, funktionaler Anforderungen an Fenster und des baurechtlichen Umfelds entwickelt und untersucht: Konzept A zur Verglasung festverglaster Bereiche mit GFK-Glas-Elementen (Rahmenanteil 5%), Konzept B als Einfachfenster mit GFK-Rahmen (Rahmenanteil etwa 12%) und Konzept C als hochwärmedämmendes Fenstersystem (Uw-Werte unter 0,8 W /m2K, Rahmenanteil des Fensters <20%) Bei der wärmetechnischen Diagnostik spielen zum einen der Energieverlust durch das Fensterelement eine zentrale Rolle. Mindestens ebenso wichtig sind die auftretenden raumseitigen Oberflächentemperaturen an der Konstruktion, denn erst nach deren detaillierter Betrachtung werden eventuelle lokale Schwachpunkte der Konstruktionen erkenn- und verbesserbar. Die entworfenen GFK-Konzepte, das zeigen die Simulationen, erfüllen grundsätzlich die zu Beginn der Arbeit definierten wärmetechnischen Anforderungen - trotz ihrer minimierten Rahmenkonstruktionen. Umfassende experimentelle Untersuchungen an Prototypen bestätigen die ermittelten Werte, zeigen im Detail aber gleichwohl Optimierungsbedarf. Dementsprechend werden die Konstruktionskonzepte überarbeitet, verbessert und im Zuge der Modifikationen werden ferner Varianten entwickelt, die eine Integration normgerechter Beschlagsysteme zulassen. Im Ergebnis kann festgehalten werden. dass die optimierten "End-Konstruktionen" im Vergleich mit derzeit marktüblichen Systemen aus Kunststoffen, Metallen oder Holz - deutlich geringere Rahmenanteile aufweisen (Faktor 0.5 und besser) und - dennoch wärmetechnisch im Bezug auf U-Wert und Oberflächentemperaturen mindestens gleiches Niveau erreichen. Anwendungsbeispiele im Schlussteil der Arbeit verdeutlichen die objektiv vorhandenen gestalterischen Vorzüge der GFK-Glas-Konstruktionen bildhaft und unterstreichen das Potenzial dieser Konstruktionsweise. Die illustrierten Einbauvarianten veranschaulichen das erweiterte gestalterische und damit entwurfliche Spektrum, das sich im Vergleich mit herkömmlichen Systemen ergibt. Eine uneingeschränkte Anwendbarkeit der Konzepte ist derzeit jedoch aus mehreren Gründen noch nicht gegeben: Grundsätzlich besteht das Problem fehlender Langzeiterfahrungen hinsichtlich der verwendeten Klebeverbindungen an gebauten Objekten. Forschungsergebnisse am ITKE lassen bisher allerdings keinerlei Anzeichen für ein mögliches Versagen der Klebeverbindungen unter üblichen Umgebungsverhältnissen im Bereich der Gebäudehülle erkennen. Des weiteren besteht hinsichtlich der Konstruktionen, insbesondere im Hinblick auf eine eventuelle serienproduktion.Klärungsbedarf hinsichtlich des Klebeprozesses, sowohl in Bezug auf Qualitätssicherung als auch und insbesondere in Sachen Wirtschaftlichkeit. Es müsste eingehend geprüft werden, ob und ab welchen Stückzahlen GFK-Fensterkonstruktionen wirtschaftlich herstellbar sind. Sicher scheint derzeit nur, dass die Investitionskosten für ein marktübliches Fenster "von der Stange" deutlich unter jenen für eine geklebte GFK-Konstruktion bleiben werden. Verschiedenste Produkte, sowohl aus dem Bausektor aber auch aus anderen Bereichen des Lebens, beweisen allerdings. Dass der Endkunde durchaus bereit ist höhere Investitionskosten in Kauf zu nehmen, wenn für ihn ein konkreter Gegenwert erkennbar ist. Als "erkennbar" dürfte der Gegenwert bei den GFK-Konstruktionen aufgrund des gegenüber marktüblichen Systemen deutlich minimierten Rahmenanteils bezeichnet werden; dies unterstreichen die visuellen Gegenüberstellungen im Schlussteil der Arbeit. Aus wärmeschutztechnischer sowie gestalterischer Hinsicht sind die entwickelten Konzepte durchaus als markttauglich zu bezeichnen, womit die konzeptionelle Zielsetzung der Arbeit als erreicht zu betrachten ist. In einem nächsten Schritt wären weitergehende Teilaspekte zu klären. Dies betrifft insbesondere Gesichtspunkte. die im Verlauf dieser Arbeit aufgrund der bewussten Fokussierung auf wärmetechnische Zusammenhänge nicht oder nur teilweise berücksichtigt wurden, wie etwa Untersuchungen in Bezug auf Schallschutz, Luftdichtheit, Widerstandsfähigkeit gegen Windlast und Schlagregendichtheit. Hierzu sind experimentelle Test an weiteren Prototypen notwendig. Bereits im Januar Anfang 2007 wurde auf der BAU in München ein Holz-GFK-Fenster vorgestellt, das am ITKE in Zusammenarbeit mit einem externen Auftraggeber entwickelt wurde. Dieses Fenster enthält einzelne konstruktive Bestandteile der entwickelten GFK-Glas-Konzepte. Wenngleich der Rahmen noch überwiegend aus Holz besteht. Dennoch steht damit das Konzept GFK-Glas kurz davor. mit marktüblichen Fenstersystemen in Konkurrenz zu treten. Aufbauend auf den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit können nun die verbliebenen Holzteile dieses Fensters restlos durch GFK ersetzt werden. Damit wäre bereits in naher Zukunft ein "einfaches", vollständig verklebtes GFK-Glas-Fenster marktreif- in Anlehnung an das entwickelte Konzept B. In Verbindung mit stetigen Entwicklungen in der Klebetechnik und entsprechenden Prüfungen an Prototypen können dann im Optimalfall mittelfristig auch die anderen Konstruktionskonzepte, die sich aus heutiger Sicht teilweise noch als problematisch darstellen, in die Realität umgesetzt werden.

Zusammenfassung

Inhalt dieser Arbeit ist die Erforschung der Idee des Werkstoffverbundes zwischen glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) und Glas sowie das Aufzeigen von Anwendungsmöglichkeiten für Baukonstruktionen aus diesem Werkstoffverbund. Hierzu erfolgt eine Gliederung in zwei wesentliche Teile. Ein Teil der Arbeit besteht aus einem umfangreichen Versuchsprogramm an Klebeverbindungen zwischen GFK und Glas. Die Ergebnisse der Klebeversuche finden Verwendung im zweiten Teil der Arbeit. Dieser beschäftigt sich mit der Entwicklung baukonstruktiver Anwendungsbeispiele und deren Bau als Prototypen. Durch den Verzicht auf mechanische Verbindungsarten wie Klemmen oder Verschrauben, wobei Bohrungen insbesondere bei Glas weder eine materialgerechte noch wirtschaftliche Bearbeitungsform darstellen, werden durch Klebungen Fügeteile mit zusammenhängenden glatten Oberflächen möglich. In den letzten Jahrzehnten hat die Klebetechnologie enorme Fortschritte gemacht. Sowohl die Chemie, die Applikationstechnik und auch die ingenieurmäßigen Anwendungen wurden weiterentwickelt und scheinen auch weiter voranzuschreiten. Im Fassadenbau ist das Kleben von Glas schon seit einiger Zeit unter dem Begriff „structural glazing“ bekannt und aktueller Stand der Technik bei Metallfassaden. Die auf Grundlage europäischer Richtlinien erarbeiteten Testverfahren und Zulassungen beschränken sich jedoch auf die Prüfung „lastabtragender Dichtstoffe“ wie Silikon. Inzwischen gibt es aber Klebstoffe, die erheblich höhere Festigkeiten, bessere optische Eigenschaften und Vorteile in der Verarbeitung aufweisen, deren Verwendung im Bauwesen aber nahezu unbekannt ist. Für das Bauwesen sind neben Werten zur Anfangs- und Temperaturfestigkeit insbesondere Kenntnisse über die Alterungsbeständigkeit von Bedeutung. An dieser Stelle setzt nun diese Arbeit ein und ermittelt neue Kenntnisse über die Verklebung der neuen Werkstoffkombination GFK und Glas. In diesem Rahmen werden, im ersten Teil der Arbeit, in einem Prüfprogramm für Klebeverbindungen zwischen GFK und Glas eine Vielzahl unterschiedlicher Klebstoffe getestet. Einige der Klebstoffe sind im Handel erhältlich, andere werden in Zusammenarbeit mit Herstellern für die gewünschte Anwendung in dieser Arbeit entwickelt bzw. modifiziert. Bestandteil der Untersuchungen sind Klebstoffe aus jeder der vier großen Klebstoffgruppen Silikone, Polyurethane, Acrylate und Epoxidharze. Drei der zehn untersuchten Klebstoffe sind hochtransparent. Die Berücksichtigung eines Klebebands soll die Vor- bzw. Nachteile dieser Klebetechnik gegenüber den Naßklebern aufzeigen. Das Prüfprogramm wird in Anlehnung an die europäische Richtlinie ETAG Nr. 002 „Leitlinie für die Europäische Technische Zulassung für Geklebte Glaskonstruktionen“ erstellt, worin allerdings nur die Anforderungen für die Zulassung von Structural Glazing-Verklebungen mit Silikon beschrieben sind. Die Prüfkörpergeometrien und Versuchsaufbauten werden für die Versuche dieser Arbeit deshalb an die Materialkombination GFK/Glas und die verwendeten Klebstoffe angepaßt. Für alle Klebstoffe werden die Anfangswerte der mechanischen Festigkeiten für eine Zug- und Schubbelastung bestimmt. Danach findet eine Auswahl statt, welche Klebstoffe weiter untersucht werden. In einem zweiten Schritt werden dann für die verbliebenen Klebstoffe die mechanischen Festigkeiten unter Temperaturbeanspruchung ermittelt. Hierfür wird der für Fassadenkonstruktionen übliche Temperaturbereich von –20°C bis +80°C betrachtet. Um Alterungsprozesse künstlich zu simulieren, werden Probekörper dreier ausgewählter Klebstoffe in einer Klimakammer definierten Feuchte- und Temperaturzyklen sowie einer UVBestrahlung ausgesetzt. Diese künstliche Alterung dauert 9 Wochen. Nach jeweils 3 Wochen werden Proben aus dem Klimaschrank entnommen und auf ihre Festigkeit geprüft. Dadurch kann ein Festigkeits-Zeit-Schaubild ermittelt werden. Parallel hierzu wird in einem Langzeitversuch die natürliche Alterung untersucht, indem Probekörper für etwa ein bis zwei Jahre dem Außenklima ausgesetzt werden. Für die gealterten Proben erfolgt auch die Bestimmung der Zugfestigkeiten. Dadurch kann ein Vergleich zwischen künstlicher und natürlicher Alterung hergestellt werden. Im zweiten Teil widmet sich die Arbeit der Anwendung der untersuchten Klebstoffe an unterschiedlichen Prototypen. So wird durch statisch wirksame Verklebungen beispielsweise die Ausnutzung des Verbundträgerprinzips für Tragwerkselemente in GFK/Glas Bauweise entwickelt. Der Pavillon des ITKE der Uni Stuttgart auf der glasstec 2002 in Düsseldorf, der im Rahmen dieser Arbeit entstand, demonstrierte dieses Verbundträgerprinzip in realem Maßstab. In einem weiteren Beispiel ermöglicht die Kombination von GFK und Glas mit statisch wirksamen Verklebungen den Bau von Fenstern mit sehr dünnen Rahmenkonstruktionen. Im Gegensatz zu konventionellen Fenstern, bei denen Glasscheiben in Rahmen aus Holz, Aluminium oder Kunststoff verklotzt werden und die Rahmen die entstehenden Zugkräfte über die Ecken weiterleiten, übernimmt bei den GFK/Glas-Fenstern die Verklebung zwischen GFK und Glas die aussteifende Wirkung. Die daraus resultierenden sehr dünnen Rahmenquerschnitte aus dem gering wärmeleitenden Material bieten nicht nur gestalterische sondern auch bauphysikalische Vorteile welche in einer separaten Forschungsarbeit behandelt werden. Eine weitere Anwendung ist die Verstärkung von Isolierglasscheiben durch aufgeklebte schlanke Profile aus GFK. Mittels einer statisch wirksamen Verklebung wirken die Isolierglasscheiben zusammen mit den GFK-Profilen im Verbund. Als direktes Ergebnis dieser Arbeit entsteht zur Zeit mit der Fassade für ein Sport- und Kulturzentrum in Kopenhagen die erste reale Anwendung einer neuen Bauweise. Somit zeigt diese Arbeit das Potential der Materialkombination von GFK und Glas in Verbindung mit Anwendung einer Klebetechnik, die über die im Fassadenbereich üblichen lastabtragenden Dichtstoffe hinausgeht, auf und weist den Weg für zukünftige Entwicklungen.

Zusammenfassung

ln der vorliegenden Arbeit wird die Umspannung des schlanken Druckstabes (A-=250) untersucht, mit der die Tragfähigkeit des Druckstabes unter Beibehaltung seines schlanken Erscheinungsbildes gesteigert wird. Die Umspannung besteht dabei aus nur auf Zug beanspruchbaren dünnen Stäben oder Seilen, und druck- und biegebeanspruchbaren Spreizen, die die Zugstäbe mit dem mittig angeordneten, schlanken Druckstab verbinden. Darüber hinaus wird auch die Umspannung der Druckstabkette untersucht. Als Druckstabkette wird der aus mehreren, abschnittsweise gelenkig miteinander verbundenen Druckstababschnitten zusammengesetzte Druckstab bezeichnet, der erst durch die Umspannung stabilisiert und tragfähig wird. Die Tragfähigkeit des auf Druck beanspruchten schlanken Stabes ist abhängig von seinem Biegewiderstand und der Größe der Biegebeanspruchung, die bei einer Belastung infolge von Imperfektionen entsteht, mit denen jeder Stab behaftet ist und deren Einfluss mit zunehmender Schlankheit des Stabes wächst. Die Steigerung der Tragfähigkeit durch die Umspannung beruht auf der Vergrößerung des Biegewiderstandes gegenüber dem Druckstab ohne Umspannung. Mit der Zunahme des Biegewiderstandes verringert sich das Formänderungsverhalten des umspannten Druckstabes und die Biegebeanspruchung des Druckstabes im Verhältnis zur äußeren Last. Gleichzeitig beteiligt sich die Umspannung an der Abtragung der Gesamtbiegebeanspruchung und verringert dadurch die Biegebeanspruchung im Druckstab weiter. Die Abtragung des Anteiles an der Biegebeanspruchung durch die Umspannung erfolgt durch die Zerlegung des Biegemomentes in ein Kräftepaar und dessen Aufnahme durch eine für die Zugstäbe günstigere Normalkraftbeanspruchung, die in den gegenüberliegenden Zuggliedern der Umspannung zu einer Zug- beziehungsweise Druckbeanspruchung führt. Zur Aufnahme der Druckkräfte sind die biegeweichen Zugglieder ausreichend vorzuspannen, so dass sie bis zum Versagen des Druckstabes nicht schlaff werden. ln der Summe nimmt die Biegebeanspruchung des Druckstabes, die die Größe der aufnehmbaren Normalkraft begrenzt, erheblich ab und infolgedessen die Tragfähigkeit des umspannten Druckstabes zu. Die Zunahme des Biegewiderstandes durch die Umspannung ist durch viele Faktoren, die sich auf das Erscheinungsbild des umspannten Druckstabes auswirken, beeinflussbar. · Mit Hilfe von Parametervariationen wird der Einfluss der für die Gestalt der Umspannung wesentlichen Faktoren auf die Tragfähigkeit mit Hilfe von initeElemente- Berechnungen untersucht. Dazu gehören die Form der Umspannung, die Länge der Spreizen und deren Anzahl, und die Querschnittsabmessungen der Tragelemente der Umspannung, wobei die Gestalt der Umspannung besonders durch die Abmessungen der druck- und biegebeanspruchten Spreizen und weniger durch die der Zugglieder bestimmt wird. Ziel der Arbeit ist es zum einen, bei den untersuchten Arten der Umspannung das Tragverhalten und den Einfluss der Faktoren, die die Gestalt des umspannten Druckstabes und die Steigerung der Tragfähigkeit maßgeblich beeinflussen, möglichst anschaulich aufzuzeigen. Dies erfolgt unter anderem durch die Darstellung der Biegemomentenanteile, um die die einzelnen Umspannungsparameter das Biegemoment im umspannten Druckstab reduzieren. Darüber hinaus werden Diagramme für den Entwurf bereitgestellt, die die Zunahme der Tragfähigkeit für die untersuchten Umspannungsparameter aufzeigen, und mit denen die erforderlichen System- und Querschnittsabmessungen für beliebige Systemlängen ermittelt werden können. Mit diesen Kenntnissen können dann schon beim Entwurf einer Umspannung deren Eigenschaften günstig gewählt, und die Auswirkungen von vielleicht zunächst formal getroffenen Entscheidungen besser eingeschätzt werden.

Zusammenfassung

Der vorliegende Bericht befaßt sich mit der Technik der Erdbebenisolierung von Bauwerken durch Einsatz von Sonderlagern. Am Anfang wird der Stand der Technik auf diesem Gebiet aufgezeigt und die Grundprinzipien der Technik dargelegt. Zwei Reihen von neuartigen anpassungsfähigen Erdbebenisolatoren für mittelgroße Bauwerke und Gebiete mittlerer Seismizität werden vorgestellt und ihr dynamisches Verhalten wird experimentell und analytisch untersucht. Die Isolatoren bestehen aus zwei gekoppelten Lagerelementen: ein primäres Lager aus bewehrtem Elastomer, als Ring- oder Säulenlager ausgebildet, und ein sekundäres Lager, bestehend aus einer Epoxydharz-Kugel, eingebettet in zwei konkaven Elastomerkissen. Der Aufbau der Isolatoren und die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Elemente verleihen dem Lager eine Kennlinie mit progressiver Verformbarkeitsbegrenzung. Nach Erläuterung der konstruktiven Gestaltung werden Ergebnisse aus der pseudodynamischen Untersuchung der Grundprototypen zur Beurteilung ihres vertikalen und horizontalen Tragverhaltens dargestellt. Anschließend werden die dynamischen Laboruntersuchungen analysiert. Die aufgenommenen Kraft-Verformungslinien und Hystereseschleifen werden durchgehend aufgezeigt und daraus die linear äquivalenten Parameter der Isolatoren ermittelt. Darauf bauend wird das dynamische Verhalten der Isolatoren unter aufgezeichneten Erdbebenzeitverläufen vom US-amerikanischen Raum und vom griechischen Mittelmeerraum untersucht. Die Effektivität der Isolatoren wird anhand der Herabsetzung der Bodenbeschleunigung beurteilt.

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Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der passiven Verformungskontrolle von Hochhaustragwerken unter starker Erdbebeneinwirkung durch gezielte Anordnung von Dämpfungsanlagen. Am Anfang wird der Stand der heutigen Technik auf diesem Gebiet aufgezeigt und die Grundprinzipien dargelegt. Ein neuartiges Tragwerkskonzept, das auf einer dualen Wirkung seiner Tragglieder beruht, wird vorgestellt. Dieses System besteht aus einem geschlossenen Zugdiagonalenverband mit angeschlossenem Hysteresedämpfer. Mit dieser Tragwerkseinheit können dann Fachwerksysteme und ausgesteifte Rahmensysteme aufgebaut werden, sodaß deren Tragverhalten auf die Einwirkung starker Erdbeben angepaßt wird. Vorschläge zur konstruktiven Gestaltung und Anordnung des Mechanismus in drei Grundsystemen (Fachwerk, 2-Gelenkrahmen mit biegesteifen Rahmenknoten, eingespannter Rahmen) werden gemacht. Die Kontrolle der Verformungen im dualen Tragsystem wird vorgestellt und weiter analysiert. Das dynamische Verhalten der auf diese Weise erzielten Tragwerke wird unter reellen Erdbebenzeitverläufen (EI-Centro Kalifornien, Ägion, Kalamata Griechenland) untersucht. Im Rahmen dieser Analyse werden die Systeme, als Ein- und Zweimassenschwinger, mit einer über die Höhe gleichmäßig und dann ungleichmäßig verteilten Dämpfung, rechnerisch modelliert. Geeignete Steifigkeitsverhältnisse der Tragwerke, der Aussteifung und des Hysteresedämpfers werden in Bezug auf die gezielte Dämpfung ausgewählt, sodaß das dynamische Verhalten der komplexen Systeme über die gewählten Steifigkeitsparameter optimiert werden kann. Schließlich werden konstruktive Aspekte der Integration der Systeme in Hinblick auf unerwünschte Interaktionseffekte mit nichttragenden Bauteilen (Vorhangwand, lnnenwände) analysiert.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit werden weitgespannte Dachkonstruktionen untersucht, bei denen Zugglieder im Verbund mit druck- und biegesteifen Traggliedern die Lasten abtragen. Diese Tragwerke nehmen eine Zwischenstellung ein zwischen den nur auf Zug beanspruchten Seilnetz- und Membranstrukturen bzw. Seilbindem auf der einen Seite und den hauptsächlich auf Druck und Biegung beanspruchten Träger-Stützen ~ Systemen auf der anderen Seite. Dabei werden nur ebene Systeme unter statischen Lasten betrachtet. Bei den hier untersuchten Tragwerken werden die Lasten teils durch biegeschlaffe Zugglieder, teils durch Biegeträger abgetragen. Für solchermaßen abgehängte Träger als Bestandteil rückverankerter Tragwerke wird eine Systematik bezüglich des Tragverhaltens vorgestellt und diese anhand verschiedener Varianten erläutert. Jeweils für Teilbereiche der Tragwerke werden Ersatzsysteme vorgestellt, die mit relativ geringem Aufwand untersucht werden können, wobei die Abhängigkeiten und Kombinationsmöglichkeiten dieser Teilsysteme beschrieben werden. Zudem werden Angaben für sinnvolle Kombinationen von Tragelementen und für deren überschlägige Dimensionierung für den Entwurf gemacht. Verschiedene Möglichkeiten der geometrischen Ausformung werden vorgestellt und in Bezug auf das Tragverhalten bewertet. Außerdem wird eine Systematik für durchlaufende Systeme vorgestellt. Schließlich wird noch die Benutzung der als Bemessungshilfen aufgestellten Diagramme an ausgeführten Bauwerken gezeigt.

Zusammenfassung

Auf der Basis der linearen Elastizitätstheorie wird das Tragverhalten von wandartigen Trägern mit Gurten untersucht. Behandelt werden Durchlaufträger auf unendlich vielen Stützen mit periodisch verteilter Belastung. Die heute für die Ermittlung von Zustandsgrößen an wandartigen Trägern mit Gurten übliche Vorgehensweise wird ausführlich dargestellt und bewertet. Daraus wird ein neues Berechnungskonzept unter Berücksichtigung der lnteraktion zwischen Decken und Wandscheibe entwickelt. Es wird nachgewiesen, daß die für die unverstärkte Scheibe theoretisch abgeleiteten Bemessungsregeln z. T. nicht auf die wandartigen Träger mit Gurten übertragen werden können. Für die Bemessung von wandartigen Trägern mit Gurten sind deshalb zusätzliche Vorkehrungen zur Berücksichtigung des Einflusses der Gurte erforderlich. Den Abschluß der Arbeit bilden Bemessungsdiagramme, die als Dimensionierungshilfe für wandartige Träger rnit Gurten gedacht sind.

Zusammenfassung

In Deutschland, einem Land, das im Vergleich zu anderen europäischen Ländern wie Italien, Griechenland, Jugoslawien, Türkei u.a. in geringerem Maß von Erdbeben gefährdet ist, beschränkt sich die technische Ausbildung der Architekturstudenten so gut wie ausschließlich auf die statische Anschauungsweise von Lastabtragungsphänomenen in Tragwerken. Diese setzt grundsätzlich ein langsames Aufbringen der Lasten voraus, so daß keine Bewegungen entstehen. Es gibt aber Umstände, die die Bauingenieure mit Aufgaben konfrontieren, welche von schnell verlaufenden Wirkungen wie z.B. Erdbeben bedingt werden, an deren Lösung man nicht mehr aufgrund von statischen Ansätzen herantreten kann. Der Bauingenieur, der sich hauptsächlich mit den Problemen der Statik befaßt hat, ist in solchen Fällen meist überfragt. Man kann deshalb behaupten, daß jeder Bauingenieur wenigstens mit den Grundgesetzten der Baudynamik vertraut sein muß, wenn er den Problemen, die beim Bauen in Erdbebengebieten entstehen, gerecht werden will. Die vorliegende Arbeit wendet sich in erster Linie an die Architektur-und Bauingenieurstudenten, mit dem Ziel, ihnen in knapper Form die grundlegenden Kenntnisse der Baudynamik und des erdbebensicheren Bauens zu vermitteln. Die Arbeit gliedert sich in 10 Kapitel. In Kapitel 1 werden die Grundbegriffe der Baudynamik dargelegt, und in Kapitel 2 und 3 die Hauptmerkmale der dynamischen Wirkungen im allgemeinen und der Erdbeben im Einzelnen behandelt. Die folgenden drei Abschnitte erörtern möglichst kurz die Grundlagen der dynamischen Berechnung von Tragwerken: Die dynamische Modeliierung (Kap.4), das Baustoffverhalten unter dynamischen Beanspruchungen (Kap. 5) und die elastischen Eigenschaften von dynamischen Systemen (Kap.6). Der Berechnung der freien und erzwungenen Schwingungen von Einmassen- und Mehrmassensystemen widmen sich die Kapitel 7 und 8. Die Darstellung geht von der Tatsache aus, daß sämtliche Schwingungserscheinungen der Tragwerke einheitlichen Gesetzen unterworfen sind und deshalb unter einheitlichen Gesichtspunkten dargelegt werden sollen. Der neunte Abschnitt erläutert zuerst anschaulich die Auswirkungsweise der Erdbeben auf Bauwerke und befaßt sich anschließend mit der Berechnung von Erdbebenlasten nach dem Antwortspektrenverfahren. In diesem Zusammenhang werden auch die Bestimmungen der DIN 4149 ausführlich dargestellt. Der Problematik des erdbebenwiderstandsfähigen Bauens wendet sich das Kapitel 10 zu. Es enthält eine kurze Fassung der Prinzipien der Formgestaltung und der Konstruktionsregeln beim Bauen mit verschiedenen Baustoffen. Um dem Leser die Nachvollziehung von Zahlenbeispielen zu erleichtern, werden abschließend in einem kurz gefaßten Anhang die im Text verwendeten Ansätze der Matrizenrechnung erläutert. Obwohl man sich bemüht hat, die Darstellung der Probleme möglichst elementar zu halten, erwies es sich als unmöglich auf mathematische Ansätze zu verzichten. Vorausgesetzt wurden nur die elementaren Differentialformeln, die heute zur allgemeinen Bildung jedes Gymnasiasten gehören sollten. Die Matrizenrechnung wurde nur als Werkzeug benutzt,und die entsprechenden Ansätze sind ausführlich in einem besonderen Kapitel erläutert worden. Die praktische Anwendung des vorgeführten Stoffes wird dadurch erleichtert, daß die Theorie mit zahlreichen Beispielen ergänzt wird, wobei weiter gehende Rechnungen lückenlos unter Einführung aller Zwischenrechnungen durchgeführt werden.

Zusammenfassung

Der mehrfeldrige, federnd gestützte Druckstab Die bekannten Lösungen Theorie II.Ordnung wurden in der Weise weiter entwickelt, daß nur die Knotenverschiebungen bzw. die Stützdrücke starr gestützter Knoten, sowie ein eventuelles Einspannmoment am Stabanfang als Überzählige auftreten. Die entsprechenden Gleichungen mit ihren Beiwerten und Belastungsgliedern, für welche fertige Ausdrücke vorliegen, können für unterschiedliche Verlagerung der Stabenden aus einer Matrix entnommen und ohne weitere Entwicklung direkt geschrieben werden. Darüber hinaus wird auch die Auswertung von Knickdeterminanten mit mehreren Eigenwerten und Polen behandelt, sowie eine Näherung zum Abschätzen der erforderlichen Federwerte entwickelt.

Zusammenfassung

Es wird ein einheitliches Bemessungskonzept für Schalen, Platten und Stäbe für den gesamten Schlankheitsbereich vorgeschlagen. Behandelt werden gedrückte isotrope Kreiszylinderschalen, isotrope Rechteckplatten UOQ der gelenkig gelagerte Stab. Die heute für die Darstellung von Bemessungskurven übliche Art der Auftragung von Tragspannungs- bzw. Schlankheitswerten in normierter, auf die Fließgrenze bezogener Form erfordert eine Diskussion der für die Auswertung von Versuchen anzuwendenden Fließspannung. Unter diesem Aspekt wird die Sicherheit der derzeitigen Regelwerke, insbesondere des Schalenbeulens untersucht. Die in den Regelwerken für das Schalenbeulen im elastisch-plastischen Bereich weitgehend angewandte Methode mit zwei hintereinandergeschalteten Traglastberechnungen, getrennt für den elastischen Bereich unter Zuhilfenahme des Abminderungsfaktors α und für den plastischen Bereich, steht einer einheitlichen Behandlung der genannten Stabilitätsfälle entgegen. Es wird nachgewiesen, daß auch beim Schalenbeulen eine Traglastformel ohne α-Faktor wie beim Stabknicken und beim Plattenbeulen möglich ist. Ausgehend von einer charakteristischen Grundbeulkurve können außerdem die oben angegebenen Stabilitätsfälle, ergänzt durch einige weitere Lastfälle, durch eine einfache Transformation ermittelt werden.

Zusammenfassung

Einführung Die Anwendungsmöglichkeiten des Operatorenkalküls von Mikusinski 1 zur Lösung von baustatischen Aufgaben wurden bereits von N. S. Dimitrov in verschiedenen Arbeiten 2 bis 8 aufgezeigt. Dabei konnten die Vorteile des kalkülmäßigen Lösungsvorganges an verschiedenen Rekursionsformeln der Stabstatik, wie z.B. Durchlaufträgern, Rahmen und Stützen, deutlich gemacht werden. Die gleiche Symbolik wurde - meist in Verbindung mit der Seilpolygonmethode von Stüssi· 9 -auch vom Verfasser der vorliegenden Arbeit mehrfach angewandt 10 – 12. Während die von Dimitrov in 7) und 8 definierten Grundlagen eines zweidimensionalen Kalküls im stetigen Bereich mit Erfolg von Eisenbiegler auf die Berechnung von Platten und Scheiben angewandt wurde 13,14,15, fehlt bisher eine entsprechende Lösung für den diskreten Bereich. Im vorliegenden Beitrag soll nun eine Operatorenrechnung entwickelt werden, mit der partielle Differenzengleichungen von Funktionen zweier diskreter Veränderlicher gelöst werden können. Schulte 16 und Jentsch 17 haben ebenfalls zweidimensionale Operatorenkalküle entwickelt. Während in 16 gezeigt wird, wie die schwerfällige Doppelfaltung auf eindimensionale Beziehungen zurückgeführt werden kann und vor allem damit die Umkehrung von der Operatordarstellung zweidimensionaler Funktionen zur Ursprungsfunktion einfach vollzogen werden kann, werden in 17 auch eindimensionale Funktionen in den zweidimensionalen Ring mit einbezogen und dann mit den Rechengesetzen des zweidimensionalen Kalküls weiteroperiert. Im Gegensatz zu 16 und 17 wird im Folgenden die Gesamtheit der gesuchten Funktionswerte - z.B. die Biegeordinaten bei Platten - mit Hilfe von erzeugenden Funktionen in h durch eine einzige Gitterpunktfunktion beschrieben und geschlossen ermittelt. Dabei können - und dies stellt eine wesentliche Erweiterung dar - die erzeugenden Funktionen beliebige veränderliche Koeffizienten enthalten, so daß die Anwendung nicht nur auf partielle Differenzengleichungen mit konstanten Koeffizienten beschränkt werden muß. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in sechs Abschnitte. Im Anschluß an die Einleitung wird im zweiten Abschnitt zunächst das Finitisieren einiger partieller Differentialgleichungen mit Hilfe der Methode der Seilpolygongleichungen durchgeführt. Daran anschließend werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt. Im dritten Abschnitt werden die Grundlagen der Operatorenrechnung für die Lösung der partiellen Differenzengleichungen von Funktionen zweier diskreter Veränderlicher entwickelt. Der vierte Teil beinhaltet die Anwendung des Kalküls auf finite Gleichungen mit neun Stützstellen in den Mehrstellenausdrücken. Neben der quadratischen und rechteckigen Platte wird eine Platte mit veränderlicher Biegesteifigkeit untersucht. Darüberhinaus wird gezeigt, wie bestinmte polygonal begrenzte Flächentragwerke berechnet werden können. Im folgenden Abschnitt wird - im Hinblick auf eingespannte Ränder - das diskrete Analogon der Bipotentialgleichung in Operatorenschreibweise entwickelt und Hinweise für die Einarbeitung einer hinreichenden Anzahl von Randwerten gegeben. Die Leistungsfähigkeit der Methode wird an verschiedenen Einfeldplatten mit z.T. unterschiedlichen Randbedingungen sowie an Durchlaufplatten demonstriert. Abschließend folgen eine kurze Zusammenfassung sowie das Literaturverzeichnis

Zusammenfassung

Flachdecken sind Plattentragwerke gleichbleibender Dicke, die unmittelbar auf Stützen aufgelagert sind. Diese Deckenkonstruktion hat sich trotz eines hohen Materialverbrauchs und trotz des Zwangs zur Herstellung in Ortbetonbauweise immer weiter durchgesetzt. Ihre entscheidenden Vorteile liegen einmal in dem geringen Schalaufwand und zum andern in der geringen Konstruktionshöhe bei ebener Unterseite der Decke, was vor allem der Ver- und Entsorgungstechnik eines Gebäudes entgegenkommt. Im Zuge dieser Entwicklung sind bereits zahlreiche Untersuchungen angestrengt worden, die sich um die Aufklärung des genauen Tragverhaltens von Flachdecken und um Hilfen zur praktischen Berechnung und Bemessung bemühen. Die vorliegende Arbeit stellt einen weiteren Beitrag in der Kette dieser Bemühungen dar. Es werden hier Flachdecken mit nur einer Innenstütze (2x2 Felder) beziehungsweise mit nur einer Innenstützenreihe (2xn Felder) behandelt. Solche Flachdeckensysteme - kurz 2xn-Feldsysteme genannt - eignen sich im Besonderen auch für kleinere Bauaufgaben wie Wohn- und Geschäftshäuser, kleinere Verwaltungs- und Lagergebäude u.a.m. Mit den bekannten plattentheoretischen Berechnungsverfahren von DUODECK 16 1, GLAHN/TROST 1151 und PFAFFINGER/THURLIMANN 1181 können 2xn-Feldsysteme nicht oder nur näherungsweise erfaßt werden, da diese Verfahren Flachdecken mit mindestens 3x3 Felder voraussetzen. Bislang liegen nur wenige Arbeiten vor, die sich speziell mit den angesprochenen Flachdeckensystemen auseinandersetzen. BÄRSCHNEIDER 11 1 untersucht den frei drehbar gelagerten Plattenvollstreifen mit einer Stützenreihe unter Gleichlast. Und RABE 1191, 1201 behandelt die 2x2-Feldflachdecke mit biege- und torsionselastischen Randträgern für die Lastfälle gleichmäßig verteilte Vollbelastung, sogenannte Schachbrettbelastung und halbseitige Streifenbelastung. Die Ergebnisse dieser Arbeiten reichen für die praktische Berechnung vieler auftretender Fälle noch nicht aus. Im Folgenden werden die sechs in Bild 1a und 1b dargestellten Plattentypen untersucht. Es werden nach der Kirchhoff'schen Plattentheorie die maßgebenden Plattenmomente und die Stützenauflagerkräfte infolge von Gleichlast g sowie die Maximal- und Minimalwerte derselben infolge von feldweise angeordneter Verkehrslast p ermittelt. Die Ergebnisse, die in umfangreichen Tabellen zusammengestellt sind, entstammen der numerischen Auswertung von analytisch exakten Lösungen in Form von unendlichen Einfachreihen. Diese Lösungsreihen werden mit Hilfe eines vom Verfasser entwickelten modifizierten Operatorenverfahrens 171 bis I 12 1 in allqemeiner Form systematisch hergeleitet, sodaß danach auch die Lösungen für andere Last- und Lagerungsfälle aufgestellt werden können. In einfacher Weise gelingt dies stets für Rechteckplatten mit zwei gegenüberliegenden Navier-Rändern unter beliebiger Belastung.

Zusammenfassung

Die Anwendung des Operatorenkalküls im Sinne von Mikusinski 1 in der Baustatik wurde bereits in 2 bis 8 in breiter Form gezeigt. Hierbei ist eine Entwicklung möglich, die selbst dem Computer etwas voraus hat, da die Lösungen von Anfangs- und Randwertproblemen ganz einfach kalkülmäßig und symbolisch gegeben sind. Für die Rechenoperationen Differentiation und Integration sowie Differenzenbildung und Summieren treten algebraische Verknüpfungen in Form von abstrakten Zahlen ein. Als Nebenprodukt dieser Operatorenrechnung werden sowohl stetige als auch diskrete Funktionen durch einfache Ausdrücke gekennzeichnet. Abgesetzte und insbesondere unterbrochene oder abgestufte Funktionen konnten bislang nur mit Hilfe der „Fourier-Analyse“ beschrieben werden. Eine Symbolik wäre das Gegenstück dazu. Der Versuch, diese Symbolik als ''Fantappie- Analyse" einzuführen (s. 22), hat ohne die Hilfeleistung der Computertechnik heute kaum eine Aussicht auf großen Erfolg. Nicht so das Kalkül von Mikusinski, das mehr als nur eine neue Darstellung der Funktionen bedeutet: es ist formal identisch mit der Laplace-Transformation, die selbst die Fourier-Transformation beinhaltet. Der Unterschied ist dennoch grundsätzlicher Natur: Laplace - bedeutet Funktionentheorie und Existenzbeweise. Mikusinski - nullteilerfreie Algebra und Mengenlehre. Auch ist die Theorie von Mikusinski allgemeiner und einfacher als die auf der Laplace - Transformation beruhende Darstellung wegen der Eindeutigkeitssätze einer gesuchten Funktion im Unendlichen. Im Vergleich mit der Theorie von Fantappie oder Schwartz 31, 47 braucht sie nicht den großen topelegischen und funktionalanalytischen Aufwand. Die Erweiterung des Begriffs der natürlichen Zahl en zu den rationalen und den reellen Zahlen ist ein Modell für die Methode von Mikusinski. Kurz gesagt: die stetigen Funktionen einer reellen Variablen x, x ~ 0, bilden bei der gewöhnlichen Addition und der Faltung als Multiplikation eine kommutative Algebra, die zu einem Quotientenkörper K erweitert werden kann (da diese Algebra Nullteiler-frei ist), dessen Elemente dann Operatoren genannt werden. Dieser Operatorenkörper K enthält die komplexen Zahlen, die stetigen Funktionen, den Differential- und Integraloperator. Der Dirac-Delta-Operator ist das Einheitselement des Körpers K. Einzelkräfte und Einzelmomente lassen sich in der Baustatik nicht durch gewöhnliche Funktionen wiedergeben, können jedoch durch Operatoren dargestellt werden. In dieser Arbeit wird die Methode von Mikusinski auf lineare Differential- und Integralgleichungen vom Faltungstypus, sowie auf partielle Differentialgleichungen mit konstanten Koeffizienten angewandt.

Zusammenfassung

Adaptive facades can greatly impact a building’s energy balance by responding to external climates and by regulating internal conditions. With the integration of solar energy harvesting components, they have the potential not only to reduce the energy loss of buildings but also to gain energy. This premise has been tested within the framework of bio-inspired compliant mechanisms for adaptive façade elements, developed at the University of Stuttgart. Due to the flexible kinematic behavior of bio-inspired adaptive architectural elements, an innovative and simple alternative to common, more complex applications of adaptive façade components is obtained. The research presented aims at establishing the environmental criteria that will lead to an improved energy performance of a building using elastically deformable, adaptive faҫade elements with integrated photovoltaics. Through simulations and physical testing, the influence of daylight, solar radiation, and the building´s thermal balance are evaluated. The findings of this research are showcased on an adaptive façade consisting of pneumatically actuated, glass fiber-reinforced plastic laminates with integrated photovoltaics, assembled at Botanical Garden in Freiburg, Germany. Relying on environmental sensing, this façade is able to adapt over time in response to solar conditions with the goal of finding the right balance between low-energy building operation, high indoor environmental quality, and high energy harvesting. This study provides a novel, integrative design method utilizing adaptive building envelopes that successfully react to varying environmental conditions in an energy-efficient and cost-effective manner.

Zusammenfassung

This paper presents a feedback-based computational method for the placement of columns in the early design phase of complex multi-story structures. The method integrates a circle packing algorithm, a spring system, and structural engineering simulations within a single script for the reciprocal and informed arrangement of columns in the space. While allowing the users to have an explorative approach, it empowers diverse potentials in multi-story constructions including additional cantilevering spaces around the boundary, increased spatial qualities with large span possibilities, multidirectional structural arrangements, and multi-purpose use of space. As a result, the developed algorithm allows for flexibility by leveraging the design possibilities of grid-based and irregular column arrangements and promotes the integration of structural and design-related constraints in the spatial organization of various building typologies.

Zusammenfassung

This paper discusses the architectural design potentials of a novel hollow timber slab building system for flexible and adaptive multi-storey timber building typologies. Current timber building systems are defined by their standardized nature, which limits most structures to unidirectional, rigid grids and limits designs to rectilinear layouts. At the same time, recent developments in computational design and digital fabrication open new possibilities to overcome these limitations. In this paper we present four building design applications of a new multi-directional slab building system that allows for a greater level of spatial flexibility and adaptability with free column placement and a tuned network of internal shear webs. These examples expand on previous work through the co-development of building design, skin, building system, and building service integration strategies for a long lifespan and changeable building program. The design applications illustrate open, reprogrammable floor plates that can support three different program states: office, residential, and mixed-use. Furthermore, the novel conceptual approaches to building service integration and the resulting slabs are compared to approaches more common in mass timber construction. Finally, we contextualize the study with related developments and discuss how computational and integrated design thinking could lead to a greater level of design freedom in timber construction and an increased applicability to more complex site conditions than in conventional masstimber construction

Zusammenfassung

The goal of this ongoing research is the development of a novel, digital, modular wood building system, which allows for open-plan, flexible spaces and bespoke architectural solutions. This paper presents a comparison of two new timber building systems for multi-storey construction. The building systems, one solid and one hollow, are developed using an integrative approach that considers structural, fabrication and assembly requirements in the system design process.

Zusammenfassung

This paper presents the development of an actively controlled shape changing surface-like structure, where geometric adaptivity is utilised by local elastic deformation on the component level. Besides the physical development of a proof of concept demonstrator, the research proposes a digital form-driving process, a computational workflow which allows the design and fast simulation of the shape changing structure, as well as the digital control of the actuation on the component level. The proposed material system consists of an initially flat surface, which is tessellated into single components based on a hexagonal grid. Each cell is comprised of a three-layer system, where a pneumatic cushion is placed in the middle of two bending active plates with strategic cut outs 1. In this way, each cell can be pneumatically actuated and therefore elastically deformed. The induced bending in the outer plates leads to a controlled change of area – the cells shrink or expand. By controlling this local behaviour within the global arrangement according to principle geometric rules 2 it is possible to achieve a controlled shape change from an initially flat surface to an anticlastic or synclastic geometric configuration. To design, simulate and control the shape change, the authors propose a digital form driving process. Here, the cells are abstracted and simplified into polygons, which can shrink and expand within a given range, according to the proposed physical system. This allows for the fast simulation of different actuation patterns and resulting geometric changes. The abstract values of shrinkage or expansion of each cell can be translated into pressure values and are used to control the pneumatic actuators in the physical demonstrator (figure 1).

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This paper presents an agent-based method for the design of complex timber structures. This method features a multi-level agent simulation, that relies on a feedback loop between agent systems and structural simulations that update the agent environment. Such an approach can usefully be applied for the design of variable density timber slab systems, where material arrangements based on structural, fabrication, and architectural boundary conditions are necessary. Such arrangements can lead to multi-directional spanning slabs that can accept pointwise supports in unique layouts. We discuss the implementation of such a method on the basis of the structural design of a pavilion-scale multi-storey testing setup. The presented method enables a more versatile approach to the design of multi-storey timber buildings, which should increase their applicability to a diverse range of building typologies.

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Driven by the ecological crisis looming over the 21st century, the construction sector must urgently seek alternative design solutions to current building practices. In the wake of emergent digital technologies and novel material strategies, this research proposes a lightweight architectural solution using natural fiberreinforced polymers NFRP, which elicit interest for their inherent renewability as compared to highperformance yarns. Two associated fabrication techniques are deployed tailored fiber placement TFP and coreless filament winding CFW, both favored for their additive efficiencies granted by strategic material placement. A hypothesis is formed, postulating that their combination can leverage the standalone complexities of molds and frames by integrating them as active structural elements. Consequently, the TFP enables the creation of a 2D stiffnesscontrolled preform to be bent into a permanent scaffold for winding rigid 3D fiber bodies via CFW. A proof of concept is generated via the smallscale prototyping and testing of a stool, with results yielding a design of 1 kg capable of carrying 100 times its weight. Laying the groundwork for a scaledup architectural proposal, the prototype instigates alterations to the process, most notably the favoring of a modular global design and lapped preform technique. The research concludes with a discussion on the resulting technoimplications for automation, deployment, material life cycle, and aesthetics, rekindling optimism towards future sustainable practices.

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Carbon fiber composites embody lightweight and strength and is a well-integrated material in various fields of engineering. In spite of its excellent material properties, it is not frequently found in architecture and design applications. In this project, the intention is to research how the material's most prominent qualities can be applied to create a lightweight furniture design. The furniture object was chosen as an example of a small architectural component with a structural capacity of holding a human body weight between 60-90 Kg. In particular, carbon fiber composites display an impressive tensile strength, and with the aim of exploring this feature, a case-study of a full-scale, hanging carbon chair was conducted. To develop a design, optimize it and realize it, an integrated design and fabrication process was developed. It combined material research, computational design, and a novel fabrication method for filament materials.

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Funicular shells are known to be an efficient design paradigm for self-weight-driven structural surfaces 1. Nevertheless, the rules that govern funicularity offer a fairly constrained design spectrum, limiting the scope of application for these structures 2. The principle of corrugation has proven to be an effective approach to enable efficient structural performance in non-funicular thin shells 3. The research presented in this paper explores the use of corrugation methods for shells in the context of a computational and structural design workflow. As an extension to existing methods, the authors introduce work on Dynamic Corrugation, a strategy for increasing bending and buckling performance on non-funicular global designs by modulating the undulation of their surfaces according to bending stress distribution. The bending-driven dynamic corrugation method was developed during the Form and Structure seminar of the ITECH programme at the University of Stuttgart and was evaluated through the design of a non-funicular funnel shell in textile concrete. The method consists of a two-step Shape Optimization workflow that integrates NURBS-based surface generation with FEA and a Multi-Objective Genetic Algorithm (MOGA). In a first step of the design workflow, the initial design surface is analyzed to give its bending energy vector field. This field then serves as the source to generate a modulation curve passing through the areas of peak bending stresses. This curve then regulates the frequency, amplitude, and influence of local bending on the corrugation. The MOGA is given control over these variables and attempts to minimize both bending moment and displacements, offering a wide spectrum of performances and expressions along the emerging Pareto front. Simultaneously, the introduction of local curvature is evaluated on its capacity to improve the buckling resistance and to allow reductions in material thickness. The presented iterative approach is incorporated in a computational design framework. A series of Dynamic Corrugation-optimized shell samples are then compared with the initial non-corrugated design showing great structural (improved bending and buckling resistance), as well as economical and ecological (material savings) potential. Further, the expressive value of dynamically corrugated shells is deemed as a contribution to the aesthetic value of a design proposal for a small infrastructural building.

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Within the collaborative research center Transregio 141 ‘Biological Design and Integrative Structures. Analysis, Simulation and Implementation in Architecture’, the authors work in an interdisciplinary team composed of biologists, structural engineers, and textile engineers developing novel technical branchings as structural elements for architecture inspired by branchings in nature. Branchings are common in structures of plants and construction and have to fulfill structural demands in both fields. As resource efficiency is a vital factor allowing plants to resist competitive stress, beneficial load-bearing principles found in plants might, in an abstracted manner, also improve technical support constructions. To discover these principles, the biomechanics of selected plant branchings were investigated by FE-simulations. The observed principle of continuous fiber courses from the stem into the branch yields stiff and strong connections also favored in artificial joints. The key challenge is to produce technical branchings with a continuous fiber arrangement. This is enabled by a newly developed braiding process for branched structures. The design of the branched large-scale demonstrator at the Museum of Natural History in Stuttgart for the exhibition ‘baubionik’ (construction-bionics) reveals the potential for future architectural applications with individually variable knot geometries. The findings of the investigation mark a starting point for a novel braided concrete-fiber-reinforced plastic composite construction for branched supporting columns with both high aesthetical and load-bearing demands as a potential competitor for current construction methods of cast steel knots or labor-intensive welded steel pipe joints.

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In modern architecture branched supporting structures are increasingly used. Until now, these branched columns can only be produced in an extensive and cost-intensive way. A new concept made of fibre-reinforced plastic (FRP) serving as a formwork and a load-bearing hull for a concrete core makes it possible to produce a wide variety of different forms and geometries. To enable the potential of complex branched geometries, especially continuous load-confirming fibre arrangements over the entire braiding hull and large diameters, an advanced braiding technique to create triaxially braided preforms is required. This paper focuses on recent developments of an advanced braiding process to fabricate a multi-layered complex structural geometry on a 144 bobbins radial braiding machine and the adaptation of stationary threads until now regulated by spring force into ones operated electronically. With the new braiding technique, branched performs with triaxial braids were produced. Subsequent to impregnation with a thermosetting resin and annealing, the FRP-hull is poured with concrete. To evaluate a potential load increase of load capacity of the concrete core due to the confinement of FRP-hulls compression tests are conducted. In comparison to plain concrete specimens the mechanical parameters of fibrereinforced plastic-concrete-composites show a significant increase in compression strength.

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Within the collaborative research center Biological Design and Integrative Structures (CRC TRR 141), a research team of biologists, architects and engineers from Freiburg, Tübingen and Stuttgart is working on the development of biomimetic and bioinspired structures for implementation in architecture and building construction. One of the projects in this research center deals with the kinematics of planar, curved and corrugated plant surfaces as concept generators for deployable systems in architecture. It is an example for methods of engineering science at the interface between biology and architecture. The contribution will provide an insight into the process of analyzing the waterwheel plant Aldrovanda vesiculosa, a carnivorous plant that catches its prey by a quick closing movement of a snap trap consisting of two lobes attached to a midrib. At a first glance, the mechanism resembles the one of the famous Venus flytrap; however, it appears to be quite different from a mechanical point of view. In fact, a key aspect in the research presented here is the development of mechanical models and performing corresponding finite element analyses of the plant with the aim to obtain a better understanding of the compliant mechanism of Aldrovanda vesiculosa and its actuation. The latter is related to a change in turgor pressure in a so-called motor zone, adjacent to the midrib, possibly combined with prestressing effects. Apart from this scientific contribution to technical biology or reverse biomimetics, the abstraction of the trapping movement and its implementation in a façade element (Flectofold) as an example of biomimetic architectural design are briefly described.

Zusammenfassung

This paper presents results of the investigation of two biological role models, the shield bug (Graphosoma italicum) and the carnivorous Waterwheel plant (Aldrovanda vesiculosa). The aim was to identify biological construction and movement principles as inspiration for technical, deployable systems. The subsequent processes of abstraction and simulation of the movement and the design principles are summarized, followed by results on the mechanical investigations on various combinations of fibers and matrices with regard to taking advantage of the anisotropy of fiber-reinforced plastics (FRPs). With the results gained, it was possible to implement defined flexible bending zones in stiff composite components using one composite material, and thereby to mimic the biological role models. First small-scale demonstrators for adaptive façade shading systems – Flectofold and Flexagon – are proving the functionality.

Zusammenfassung

Recent developments in the field of segmented timber shells have shown promising structural and constructional characteristics. Advancements in computational design and digital fabrication enable architects and engineers to handle the increased geometric complexity necessary for this new construction type, integrating fabrication constraints and structural feedback in one design model. The research presented in this paper builds on new findings from biological role models for the constructional morphology, connection type, and material distribution of segmented shells. Based on the transfer of these principles, a robotic fabrication technique was developed that enables the production of elastically bent, double-layered segments made from custom-laminated beech plywood, by transferring traditional textile connection methods to timber construction. The construction system was evaluated through the design, production, and assembly of a large demonstrator.

Zusammenfassung

This paper presents the production and development of an adaptive robotically fabricated fiber composite compression shell with pneumatic formwork as a case study for investigating a generative behavioral design model and an adaptive, online mode of production. The project builds off of previous research at the University of Stuttgart on lightweight fiber composite structures which attempts to reduce the necessary formwork for fabrication while simultaneously incorporating structural, material and fabrication logics into an integrative computational design tool. This paper discusses the design development and fabrication workflow of the project, as well a set of strategies which were developed for online robotic programming in response to live sensor data.

Zusammenfassung

Rapidly increasing maintenance costs of reinforced or concrete bridges have led to an enhanced interest of public authorities in alternative technologies for bridge design. Bridge deck systems made out of fibre reinforced polymers (FRP) offer new options. Maintenance costs and assembly time can be reduced significantly. Especially hybrid structures are competitive, i.e. steel girders combined with a pultruded FRP bridge deck. Based on this technology the design of a highway flyover in the state of Hessen was developed. The exploitation of composite action in it introduces an innovative element in FRP bridge design. The bridge, to be constructed during 2006-07, will be the first major FRP road bridge in Germany. The innovative technology, its economical aspects and the design of the bridge are highlighted in this paper.