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Entwicklung und Analyse eines Turmes aus Buchenfurnierschichtholz für eine Kleinwindkraftanlage
(2023)
Die Energiepreise in Deutschland steigen und viele Immobilienbesitzer wollen unabhängiger von den Stromerzeugern werden, weshalb sie in eine eigene Stromproduktion investieren. Eine optimale Ergänzung zu einer Photovoltaikanlage stellt dabei eine Kleinwindkraftanlage dar, die im Vergleich zu den großen Anlagen geringere Umweltbelastungen verursacht. Allerdings entstehen beim Bau einer Kleinwindkraftanlage hohe Kosten, weshalb dieses Konzept kaum verbreitet ist.
Die Türme von Windkraftanlagen werden normalerweise aus Stahl hergestellt. Bei der Herstellung dieses Baustoffs werden große Mengen an Treibhausgasen freigesetzt. Ein umweltfreundlicheres Material ist der nachwachsende Rohstoff Holz. Die Herstellung der Türme in Holzbauweise ist bisher kaum zu finden. Daher wird in dieser Arbeit untersucht, ob ein Holzturm eine Alternative zum Stahlturm sein kann und ob dadurch die Investitionskosten für eine Kleinwindkraftanlage gesenkt werden können.
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde ein Konzept für einen Holzturm aus Buchenfurnierschichtholz entwickelt. Zunächst wurde die Bedeutung von Buchenholz im Bauwesen erarbeitet. Anschließend wurden die Grundlagen für den Bau von Kleinwindkraftanlagen erforscht und die Abmessungen einer fiktiven Anlage festgelegt. Es wurden die relevanten Einwirkungen ermittelt und die Anlage mittels einer Finiten-Elemente-Berechnung untersucht. Zuletzt wurden die Nachweise für die Tragfähigkeit und die Ermüdungssicherheit des Querschnittes und der Verbindungsmittel geführt.
Bei den Untersuchungen der Randbedingungen konnten keine Argumente gefunden werden, die gegen die Verwendung von Holz sprechen. In einigen Punkten wie beispielsweise in der Herstellungs- und Errichtungsphase sind sogar Vorteile gegenüber dem Stahl zu erkennen. Zudem wurde in einer Kostenschätzung herausgefunden, dass ein Holzturm auch preislich mithalten kann und dass die Herstellungskosten sogar gesenkt werden können. Die Gesamtkosten für eine Kleinwindkraftanlage können dennoch nur unwesentlich gesenkt werden. Die Investition ist daher nur sinnvoll, wenn am geplanten Standort genügend Wind zur Verfügung steht und wenn der produzierte Strom größtenteils selbst genutzt werden kann.
Der einst vorherrschende Baustoff in Deutschland war Lehm. Dieser wurde durch die erste industrielle Revolution weitgehend verdrängt und durch industrialisierte Baustoffe wie Beton ersetzt. Mit der vierten industriellen Revolution und dem steigenden Bewusstsein der Auswirkungen der Ressourcenverschwendung und Abfallproduktion auf die Umwelt, soll der traditionelle Lehmbau durch Digitalisierung und Automatisierung wieder an ökonomischem Aufschwung gewinnen. Bauen mit Lehm bietet die Chance einer systematischen Transformation der Bauindustrie in Richtung Kohlenstoffneutralität. Bisher ist die Bauindustrie für mehr als 30 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Durch die Verwendung regionaler, zirkulärer Materialien, die idealerweise aus der eigenen Baugrube gewonnen werden, könnte sich dies in Zukunft ändern. Lehm kommt in nahezu allen Teilen der Welt flächendeckend und zur Genüge vor und kann mit verschiedenen regional vorhandenen Additiven ergänzt werden. Durch Standardisierung der Produkte und technologischen Fortschritt könnte der Lehmbau in eine Massenproduktion überführt werden und in Zukunft mit dem konventionellen Stahlbetonbau oder Holzbau konkurrieren.
Diese Masterarbeit konzentriert sich auf die Modernisierung von Lehmbauweisen in Form von digitalisierten und automatisierten additiven Fertigungsverfahren wie der Stampflehmbau oder das 3D-Drucken mit Lehm für Wandbauteile. Ziel der Masterthesis ist es, einen Bauablauf für eines der genannten additiven Fertigungsverfahren zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die verschiedenen Fertigungsverfahren und Arten nach Stand der Technik miteinander verglichen und sich für das am besten bewertete entschieden. Als praktische Grundlage für die Wahl des Fertigungsverfahren dienen beispielhafte Untersuchungen mit einem Lehm 3D-Drucker. Dabei werden Prüfkörper mit und ohne Additive gedruckt sowie Prüfkörper mit unterschiedlichen Füllgraden erstellt und anschließend im Labor auf ihre Druckfestigkeit geprüft.
Die folgende Arbeit zeigt die vielen Potenziale des Lehmbaus als zirkuläre und moderne Bauweise auf und beleuchtet zugleich die Herausforderungen, die es noch zu lösen gilt.
Digitalisierung im Bauwesen
(2023)
Der Prozess der Optimierung ist in Bereichen wie der Mathematik, Wirtschaft sowie sämtlichen Ingenieurswissenschaften ein zentrales und nicht mehr wegzudenkendes Werkzeug. Mit der Motivation der Nachhaltigkeit, Effizienz und Kosteneinsparung wird im Bauwesen ein optimaler Einsatz der Materialien gefordert unter Einhaltung der geforderten statischen Nachweise.
Die Methode der Verformungsreduzierung durch Materialumverteilung (kurz: MVM) greift die Anforderung auf, Material möglichst effizient einzusetzen. Diese Methode basiert darauf, die Steifigkeiten innerhalb eines geometrisch festgelegten und bereits vordimensionierten Tragwerkes durch Materialumverteilung in einem iterativen Prozess neu zu positionieren, wodurch die Verformung an einem vorab definierten kritischen Punkt reduziert wird und gleichzeitig die Verteilung der Ausnutzung vergleichmäßigt wird.
Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, das in einer vorherigen Abschlussarbeit bereits entwickelte Grasshopper-Skript für eine praxisbezogene Anwendung zu optimieren und zu erweitern. Dieses Grasshopperskript soll neu strukturiert und auf Fehler untersucht werden. Ebenso soll ein Abbruchkriterium implementiert werden, das die Optimierung automatisch abbricht, sobald keine nennenswerte Reduzierung der Verformung infolge der Materialumverteilung mehr erfolgt. Dabei soll stetig die Tragfähigkeit aller Stäbe eingehalten sein.
Das optimierte Tool soll abschließend anhand geeigneter praxisorientierter Beispiele angewandt und validiert werden.
Digital federated platforms and data cooperatives for secure, trusted and sovereign data exchange will play a central role in the construction industry of the future. With the help of platforms, cooperatives and their novel value creation, the digital transformation and the degree of organization of the construction value chain can be taken to a new level of collaboration. The goal of this research project was to develop an experimental prototype for a federated innovation data platform along with a suitable exemplary use case. The prototype is to serve the construction industry as a demonstrator for further developments and form the basis for an innovation platform. It exemplifies how an overall concept is concretely implemented along one or more use cases that address high-priority industry pain points. This concept will create a blueprint and a framework for further developments, which will then be further established in the market. The research project illuminates the perspective of various governance innovations to increase industry collaboration, productivity and capital project performance and transparency as well as the overall potential of possible platform business models. However, a comprehensive expert survey revealed that there are considerable obstacles to trust-based data exchange between the key stakeholders in the industry value network. The obstacles to cooperation are predominantly not of a technical nature but rather of a competitive, predominantly trust-related nature. To overcome these obstacles and create a pre-competitive space of trust, the authors therefore propose the governance structure of a data cooperative model, which is discussed in detail in this paper.
Ein Wandel weg von der linearen und hin zu einer Kreislaufwirtschaft, wie man ihn bereits in verschiedenen Bereichen erkennen kann, hat positive Auswirkungen auf das Klima und die Umwelt. Die Baubranche könnte durch ihre hohe Ressourcen- und Energieintensität ein wichtiger Beitrag zur Klima- und Umweltschonung durch Kreislaufpraktiken leisten. Im Fokus sollte nicht mehr nur eine effiziente Gebäudehülle stehen, sondern eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbetrachtung.
Aufgrund mangelnden Bewusstseins, fehlender rechtlicher Rahmenbedingungen, Organisationen, Softwaretools und fehlender Anreize durch Förderungen oder Geschäftsmodelle kann und wird eine ganzheitliche Kreislaufwirtschaft derzeit noch nicht in der Baubranche umgesetzt. Ein weiterer bedeutsamer Grund sind fehlende Materialpässe und deren Umsetzungsmöglichkeiten in der Praxis.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Lücke zwischen den Anforderungen an Materialpässe und deren Umsetzung in der Praxis, speziell für WeberHaus und somit den Holz-Fertighausbau, frühzeitig zu schließen. Durch Experteninterviews werden der Ist-Zustand des Material- und Informationsflusses beschrieben und gleichzeitig die Themen Kreislaufwirtschaft, Rückverfolgung und Materialpässe mit den Mitarbeitern diskutiert und nähergebracht. Aus dem Ist- Zustand des Material- und Informationsflusses werden Möglichkeiten einer Umsetzung in Form von zwei Varianten für Materialpässe geliefert, welche die zuvor festgelegten Anforderungen erfüllen.
Zur Beschreibung des Materialflusses hat es sich als sinnvoll erwiesen, eine Einteilung des gesamten Unternehmens auf Gebäude- und Elementebene vorzunehmen. Der Informationsfluss wird für den Materialpass hauptsächlich durch die vorhandenen Softwaresysteme Bentley, Dietrich´s, SAP und WeKo bestimmt. Um die Anforderungen, die an die Materialpässe gestellt werden, bestmöglich und mit geringem Aufwand erfüllen zu können, stellt sich BIM in Kombination mit der Plattform Madaster als sinnvolles Instrument heraus. Hierzu sind jedoch aufwendige Fachmodelle oder ein Koordinationsmodell nötig, welche von WeberHaus noch nicht vollständig realisiert werden. Als Übergangslösung bietet sich ein Materialpass auf Elementebene an, der durch diese Betrachtung standardisiert und ergänzt werden kann. Eine Ergänzung dieser Variante durch QR-Codes bietet zusätzlich eine direkte Verknüpfung von Informationen mit Bauteilen.
Analyse der Nachhaltigkeit verschiedener Redevelopmentszenarien einer Unternehmensbestandsimmobilie
(2022)
Ziel dieser Arbeit ist es einen Beitrag dazu zu leisten, dass auch Argumente der Nachhaltigkeit in Investitions- und Projektentscheidungen der Immobilienbranche leichter einfließen können, indem sie besser messbar gemacht werden, und somit an Einfluss gewinnen. Betrachtet werden sollen hierbei Entscheidungen zwischen verschiedenen Redevelopmentszenarien. Wann ergibt es mehr Sinn, eine bestehende Immobilie zu modernisieren? Wann lohnt sich ein Neubau eher? Zur Beantwortung dieser Fragen soll im Rahmen dieser Arbeit eine Entscheidungshilfe entwickelt werden. Konkret soll sich diese Entscheidungshilfe auf verschiedene Redevelopmentszenarien von speziell denjenigen Bürogebäuden beziehen, welche Teil von Unternehmensimmobilien sind. Entwickelt wird die Entscheidungshilfe aus einem bestehenden „Nachhaltigkeitsrating zur Bewertung der Zukunftsfähigkeit von Immobilien“, welches von Sarah Ok Kyu Strunk im Rahmen ihrer Dissertation an der Universität Stuttgart erstellt wurde. Die Besonderheit dieses Ratings liegt darin, dass es verschiedene nachhaltigkeitsrelevante Standortund Gebäudeeigenschaften im Hinblick auf ihr Wertentwicklungsrisiko betrachtet. Dies bedeutet, dass es eine Übersicht über diejenigen Nachhaltigkeitsmerkmale einer Immobilie gibt, welche nicht nur nachhaltigkeitsrelevant sind, sondern gleichzeitig maßgeblichen Einfluss auf das wirtschaftliche Risiko und somit die Wirtschaftlichkeit der Projektentwicklung haben. Ausgelegt ist das Rating auf die Betrachtung einzelner deutscher Büroimmobilien jeglichen Alters. Im Rahmen dieser Arbeit soll hieraus eine Entscheidungshilfe für Büroimmobilien als Teil von Unternehmensimmobilien entwickelt werden, bei welcher mehrere Redevelopmentszenarien verglichen werden können, um schließlich festzustellen, welches Szenario das geringere Wertentwicklungsrisiko mit sich bringt. Das Ergebnis hieraus soll nicht die abschließende Entscheidung zwischen den beiden Redevelopmentszenarien darstellen. Es soll vielmehr neben anderen Vergleichen, beispielsweise dem Vergleich der Wirtschaftlichkeit oder der Nachhaltigkeit der Bausubstanz der beiden Szenarien, eine stichhaltige Grundlage für eine wirtschaftlich und nachhaltig sinnvolle Entscheidung bieten.