Abschlussarbeiten

Das Bauwesen ist maßgeblich für die globale Emissionen von Treibhausgasen verantwortlich. Darum müssen radikal neue Ansätze entwickelt werden, um Emissionen zu reduzieren und den Klimawandel zu bremsen.

Modulare Bauweisen bietet eine innovative Lösung schneller effizientere und nachhaltigere Gebäude zu bauen. Dabei werden Module in Fabrikumgebungen unter kontrollierten Bedingungen gefertigt. Die resultierenden Bauteile sind genauer und können in einer höheren Qualität hergestellt werden als bei einer traditionellen Bauweise. Dies führt zu
einer insgesamt höheren Bauqualität und geringeren Herstellungskosten. Signifikante Materialeinsparungen werden zudem durch eine Leichtbauweise der Module sowie der effizienten Fertigung erzielt. Wie hoch diese Einsparungen jedoch sind, hängt von verschiedensten Eingangsgrößen ab. Damit die Vorteile des modularen Bauens besser zugänglich gemacht werden können, ist es notwendig, fundierte Grundlagen zu schaffen. Hierzu werden Sie sich in Ihre Abschlussarbeit mit relevanten Fragestellungen rund um das modulare Bauen auseinandersetzen.

Fragestellungen:
• Welche Umweltauswirkungen sind bei der Produktion, dem Transport und der Nutzung von modularen Gebäuden zu berücksichtigen?
• Wie können die Umweltauswirkungen von modularen Gebäuden im Vergleich zu traditionellen Gebäuden bewertet werden?
• Wie müssen Materialflüsse optimiert werden um Ressourcen und Emissionen zu reduzieren?
• Wie können die Ergebnisse einer Lebenszyklusanalyse (life cycle assessment - LCA) genutzt werden, um die Nachhaltigkeit von modularen Gebäuden zu verbessern?

Die Arbeit erfordert eine umfassende Literaturrecherche, eine sorgfältige Datenerfassung und -analyse sowie die Anwendung von LCA-Methoden und -Tools. Die Ergebnisse der Arbeit werden dazu beitragen, das Verständnis
der Umweltauswirkungen von modularen Gebäuden zu verbessern und Wege aufzuzeigen, wie die Nachhaltigkeit dieser Gebäude weiter verbessert werden kann.

Ansprechpartner:
Silas Kalmbach, M.Sc.
+49 (0)711 685 63820
silas.kalmbach@ilek.uni-stuttgart.de

Amay Shah, M.Sc.
+49 (0)711 685 60902
amay.shah@ilek.uni-stuttgart.de

In this BSc. or MSc. project, the candidate will join a small and interdisciplinary team of architects, cybernetic/control
and mechanical engineers working on an adaptive kinetic façade project funded by the DFG, German Research
Foundation. As a Bachelor/Master student you will support A07 research project part of the CRC1244, where
the task is to research, design and develop transformable joints and soft actuators.

Supervisors
Jun. Prof. Dr.-Ing. Maria Matheou, Institute for Lightweight Structures and Conceptual Design (ILEK)
Dr.-Ing. Michael Böhm, Institute for System Dynamics (ISYS)

Your tasks:
• Literature research on state-of-the-art transformable joints and soft actuators
• Design and development of a transformable joint
• Implement simple automation concept
• 3D modelling and Prototyping
• Documentation

Application
We are looking forward to your application with resume, portfolio and transcript of records under the keyword
"SFB 1244 - A07_Thesis“.

Contact information
Jun. Prof. Dr.-Ing. Maria Matheou
T +49 (0)711 685 61698
maria.matheou@ilek.uni-stuttgart.de

Im Rahmen des Forschungsprojektes FOILTEX werden derzeit innovative mehrlagige adaptive textil- und folienbasierte Fassaden entwickelt. Kennzeichnend für diese leichten Hüllen ist, im Vergleich zu herkömmlichen Fassaden, eine signifikante Reduktion der, in den Fassadenkonstruktion gebundenen Masse und grauen Energie.
Zudem zeichnen sich die Membranfassaden durch ihre herausragenden bauphysikalischen Eigenschaften und die inhärente Anpassbarkeit an veränderliche Umgebungsbedingungen und variierende Nutzeranforderungen aus. Um dies zu erreichen, kommen im Lagenaufbau verschiedene Werkstoffkombinationen zum Einsatz. Dabei wird der Aspekt der sortenreinen Trennbarkeit der verwendeten Stoffe beachtet.

Im Rahmen des Projektes wurden bereits zahlreiche modulare, mehrlagige und textile Gebäudehüllen mit adaptiven Funktionen konzipiert. Die Ziele des Forschungsvorhabens sind die Verifizierung der akustischen Eigenschaften von relevanten Werkstoffen und Systemaufbauten des textilen Bauens, die Optimierung von mehrlagigen passiven Systemaufbauten und die Weiterentwicklung hin zu aktiv wirkenden Fassaden- und Innenwandsystemen.

Arbeitspunkte
• Verifizierung der akustischen Eigenschaften von relevanten Werkstoffen und Systemaufbauten.
• Bewertung der technologischen und funktionalen Möglichkeiten der Schallabsorption, Dämmung und Reflexion.
• Entwicklung von Lösungsstrategien und die Erstellung von Prototypen für einen optimalen Schallschutz und für eine veränderbare Raumakustik.

Anmerkung:
Die einzelnen des Arbeitspunkte sowie deren Bearbeitungstiefe können individuell je nach Art der Abschlussarbeit (Bachelor / Master) und des jeweiligen Studienfaches (Immobilientechnik / Bauingenieur-wesen / Architektur) abgestimmt werden.

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Walter Haase
Jonathan Hernandez Lopez, M.Sc.
Tel: +49 (0)711 685 66257
E-Mail: jonathan.hernandez-lopez@ilek.uni-stuttgart.de

Im Rahmen des Forschungsprojektes FOILTEX werden derzeit innovative mehrlagige adaptive textil- und folienbasierte Fassaden entwickelt.
Kennzeichnend für diese leichten Hüllen ist, im Vergleich zu herkömmlichen Fassaden, eine signifikante Reduktion der, in den Fassadenkonstruktion gebundenen, Masse und grauen Energie.
Zudem zeichnen sich die Membranfassaden durch ihre herausragenden bauphysikalischen Eigenschaften und die inhärente Anpassbarkeit an veränderliche Umgebungsbedingungen und variierende Nutzeranforderungen aus. Um dies zu erreichen, kommen im Lagenaufbau verschiedene Werkstoffkombinationen zum Einsatz. Dabei wird der Aspekt der sortenreinen Trennbarkeit der verwendeten Stoffe beachtet.
Durch das mehrlagige modulare Prinzip und die Funktionalisierung einzelner Lagen im Fassadenaufbau ist eine differenzierte Auslegung der Gebäudehülle entsprechend der jeweiligen Klima- und Innenraumanforderungen gegeben.

Im Rahmen des Projektes wurden hierfür innovative modulare Profilsysteme für die Aufnahme der textilen Lagenaufbauten entwickelt. Die Blechstärken der Profilentwürfe sollen anhand von Finite Elemente Simulationen ermittelt werden. Ziel ist dabei die statische Auslegung der Profile und deren Tragfähigkeitsnachweis. Für die numerische Berechnungen kann das Programm RFEM, SOFiSTiK oder Abaqus in Kombination mit Rhino und Grasshopper angewandt werden. Die Einarbeitung in die Programme wird berücksichtigt und unterstütz.

Arbeitspunkte
• Bestimmung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit
• Ermittlung der globalen Verformungen
• Geometrische Optimierung des Rahmenprofils
• Bemessung der Anschlusspunkte des Fassadenelementes an das Gebäude

Anmerkung:
Die einzelnen Arbeitspunkte sowie deren Bearbeitungstiefe können individuell je nach Art der Abschlussarbeit (Bachelor / Master) und des jeweiligen Studienfaches (Immobilientechnik / Bauingenieur-wesen / Architektur) abgestimmt werden.

Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Walter Haase
Jonathan Hernandez Lopez, M.Sc.
Tel: +49 (0)711 685 66257
E-Mail:
jonathan.hernandez-lopez@ilek.uni-stuttgart.de

BSc/MSc Project

The bridge stock in the Trans-European Transport Network (TEN-T) is aging and it has been estimated that approximately 40-50% of the bridges in Germany, Netherlands and Denmark and Portugal will soon approach the end of service (older than 40 years). In addition, given the increased traffic demand, most bridges built before 1980 typically experience significantly stronger solicitations than the loads they were designed to withstand.

External post-tensioning can be used effectively to improve the serviceability performance of a bridge and to delay or prevent the onset of damage (e.g., cracking) [1]. Since typical post-tensioning increases flexural stiffness, it has been successfully employed to reduce in-service deflections and vibrations of short-span bridges [1]. Post-tensioning has been primarily implemented using unbonded tendons that run through the bridge cross-section and are anchored at the bridge ends. The tendons can be straight or draped using deviators. In either case, the tension force from the external cables is applied eccentrically to the neutral axis of the bridge cross-section. The resulting system of forces induces a bending moment that counteracts the effect of the external load. However, conventional external post-tensioning systems can only be effective against one loading condition, which is usually the permanent load. In scenarios where the live load is commensurate with the dead load and strict criteria for safety and serviceability apply, e.g., for high-speed railway bridges, conventional post-tensioning does not perform optimally.

Previous work has shown that structural adaptation can be employed to significantly improve structural capacity through stress homogenization by redirecting the force flow from critically stressed elements to lower-stressed elements [2]–[4]. In addition, adaptation can be employed to improve serviceability performance by reducing deflections and vibrations[5], [6]. Most bridges typically retain a significant reserve capacity [7] that could be unlocked through optimal retrofitting of control systems (e.g., sensors, actuators, and processing units) thus avoiding costly decommission and replacement by extending their service life.

External adaptive tensioning (EAT) systems can be retrofitted to existing bridges and employed for the design of new bridges [8]. A type of external adaptive post-tensioning system that is well-suited for retrofitting on different bridge types comprises cables deviated by variable-length compressive struts that are fixed below the bridge deck, as shown in Figure 1. Linear actuators adjust the length of the structs, which changes the tension in the cables allowing manipulation of the bending moment as the load changes. Simulations have been carried out on high-speed railway bridges modeled with simply supported steel-composite beams. Active control performed by the EAT system enables satisfying required vertical acceleration limits without the need to increase flexural stiffness by adding more material [8].

This work will investigate several bridge configurations and evaluate the potential of active control through different actuation strategies including EAT. This research project comprises two main tasks:

• Evaluation of the adaptation potential of beam, frame, truss, arch, suspension and cable-stayed bridges. This task involves modeling and simulation to evaluate how the structural capacity and serviceability performance can be improved through different actuation systems.
• Development of actuation strategies to extend the service life of existing and new bridges by mitigating the effect of heavy crossing to reduce the cyclic stress range.

For short- to medium-span highway and railway bridges, the objective is to reduce vibrations and stresses caused by heavy loading to extend the service life by mitigating fatigue effects. The potential of adaptation on the performance of lightweight (e.g., pedestrian), as well as stiffness-dominated bridges including long-span cable-stay and suspension configurations, will also be considered. For new bridges, the objective is to improve the structural performance by reducing significantly material mass requirements and in parallel increasing the span. 

Supervision

Dr. Eng. habil. Gennaro Senatore, gennaro.senatore@ilek.uni-stuttgart.de

Institute for Lightweight Structures and Conceptual Design (ILEK)

Supervision will be carried out in English.

Ansprechpartner:

Simon Weber, M.Sc.  

E-Mail: simon.weber@iabp.uni-stuttgart.de

MoonYoung Jeong, Dipl.arch  

E-Mail: moon-young.jeong@ilek.uni-stuttgart.de

Ansprechpartner:

David Nigl, M.Sc.
E-Mail: david.nigl@ilek.uni-stuttgart.de

Alexander Nitsche, M. Sc.
E-Mail: alexander.nitsche@iwb.uni-stuttgart.de

Im Rahmen der vorliegenden Abschlussarbeit soll die Tragfähigkeit von Platten aus Gradientenbeton unter lokalen Einzellasten behandelt werden.

Die Mesogradierung von Bauteilen aus Beton basiert auf der bewussten Gestaltung des Bauteilinnenraums mit dem Ziel einer signifikanten Masseneinsparung bei Aufrechterhaltung aller struktureller und funktionaler Anforderungen. Hierzu werden Hohlräume im Bauteil durch den Einbau mineralischer Hohlkörper erzeugt. Ziel ist es zu zeigen, wie Ressourcenverbrauch und Emissionen im Bauwesen signifikant reduziert werden können.

Eine aktuelle Fragestellung betrifft die Mindesttragfähigkeit von Platten aus Gradientenbeton unter lokalen Einzellasten im Bereich des Hohlkugel - Scheitelpunktes. Anhand von FE-Simulationen soll das Tragverhalten für verschiedene Betonüberdeckungen simuliert und durch kleinmaßstäbliche Versuche validiert werden.

Die Arbeit beinhaltet einen hohen Anteil an numerischen und experimentellen Versuchen. Erste Kenntnisse in diesen Bereichen sind von Vorteil. Im Rahmen Ihrer Abschlussarbeit werden Sie vorwiegend mit den Programmen Rhinoceros und Abaqus arbeiten, eine ausreichende Einarbeitungszeit wird selbstverständlich gewährt.

Arbeitspunkte:

• Literaturrecherche
• Numerische Simulationen zur Ermittlung der theoretischen Tragfähigkeit
• Experimentelle Untersuchungen zur Validierung an skalierten Bauteilversuchen
• Analytische Herleitung von Bemessungsmodellen

Ansprechpartner:
Benedikt Strahm, M.Sc. 
E-Mail: benedikt.strahm@ilek.uni-stuttgart.de

David Nigl, M.Sc.
E-Mail: david.nigl@ilek.uni-stuttgart.de

Der Klimawandel zwingt uns insbesondere im Bauwesen radikal neue Ansätze zu verfolgen. Städtische Hitzeinseln sowie Überschwemmungen mit verheerenden Ausmaßen belasten unsere Metropolen weltweit – Tendenz weiter steigend. Forschungen am ILEK konzentrieren sich auf die Entwicklung einer sogenannten hydroaktiven Fassade. Ziel ist die Retention von Niederschlagwasser in der Gebäudehülle zur Reduktion von Hochwasserrisiken, die Nutzung des aufgenommenen Wassers im Gebäude sowie dessen zeitverzögerte Abgabe zur Kühlung von Gebäude und Stadtraum durch Verdunstung. Zentraler Bestandteil der Fassade ist ein schwammartig wirkendes, mehrschichtig aufgebautes, textiles Element, welches multifunktional als Kollektor und Evaporator wirkt. 

Die entwickelte hydroaktive Fassade wird am Demonstrator-Hochhaus D1244 des Sonderforschungsbereiches 1244 „Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen“ im Maßstab 1:1 realisiert. 

Themenbereiche:

• Messtechnische Untersuchung textiler Werkstoffe im institutseigenen Evaporationsprüfstand 
• Herstellung von Funktionsmustern unter Berücksichtigung von Aspekten der Fertigungs- und Verbindungstechnik sowie der Systemtrenn- und Rezyklierbarkeit
• Feldversuche zur Freiland-Beregnung prototypischer textiler Kollektor- und Evaporatorelemente
• Konzeption eines Regenprüfstandes und Untersuchung der Wasseraufnahmefähigkeit textiler Proben
• Globale Analyse gesellschaftlicher, baulicher und klimatischer Entwicklungen zur Identifizierung und Lokalisierung geeigneter Anwendungsgebiete und Gebäudetypologien für hydroaktive Fassaden
• Untersuchung gebäudetechnischer Aspekte des Fluidmanagements zur Wasseranbindung, -versorgung und -benetzung des textilen Kollektors und Evaporatorelementes

Anmerkung: Die einzelnen Themen sowie deren Bearbeitungstiefe können individuell je nach Art der Abschlussarbeit (Bachelor / Master) und des jeweiligen Studienfaches (Immobilientechnik / Bauingenieur-wesen / Architektur / Erneuerbare Energien / Energietechnik / Maschinenbau / etc.) angepasst werden.

Ansprechpartnerin:

M.Sc. Christina Eisenbarth 

E-Mail: christina.eisenbarth@ilek.uni-stuttgart.de

Kontaktperson:
Dr.-Ing. Walter Haase
walter.haase@ilek.uni-stuttgart.de

Kontaktperson:
Dr.-Ing. Walter Haase
walter.haase@ilek.uni-stuttgart.de

Kontaktperson:
M.Sc. David Nigl
david.nigl@ilek.uni-stuttgart.de