Baustatik - Baupraxis 7


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51 papers which succinctly describe the state of the art in the areas: Comptutational models and techniques; Structural dynamics; Innovative construction materials; Damage simulation and Durability. The papers show the application of innovative methods to practical situations. The spectrum of the single papers ranges from experimental and theoretical investigations of structures subject to dynamic loading (wind, earthquake, church bell ringing, explosions), FE analyses of non-linear structural behaviour, innovative design and analysis concepts for reinforced concrete and steel structures and safety assessment methods with explicit damage evaluation to complex building/foundation models, structural glass and textile span investigations for existing historical steel bridges and optimization aspects.




Clay Printing


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The research described in this thesis focuses on the production and use of additive manufactured silicate ceramic (clay) products in construction. Additive Manufacturing (AM) is a technology that facilitates realising products by selective placement of material in subsequent layers. It is a technology that emerged in the 1980’s and has been adopted by many industries for prototyping and the realisation of special or individualised products, which cannot be made by use of common production processes or benefit economically by the use of AM. The research shows a broad overview of AM for clay. It describes the evolution of brickmaking, how clay building products can benefit from an AM process, which production process could meet the defined demands regarding the final product, and which characteristics the printed clay products have.




Design to Manufacture of Complex Building Envelopes


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This book discusses a new method for the design and engineering of complex façades. Based on the file-to-factory concept, the method combines parametric design approaches and additive manufacturing. Parametric design and additive manufacturing are both growing trends that open up new possibilities. Parametric design approaches change how planners / designers perceive building details. Further, new engineering concepts are needed to cope with the increasing complexity of architectural geometries due to the rapid developments in areas such as façade systems, modeling software and digital manufacturing techniques.




Constitutive Modelling and Failure Prediction for Silicone Adhesives in Façade Design


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This book provides readers with an elementary understanding of the material behavior of structural silicones in façades. Based on extensive experimental investigations on a transparent structural silicone adhesive (TSSA), the material behavior, failure, and microscopic effects such as stress whitening, cavitation failure, and the Mullins effect are analyzed. In turn, novel hyperelastic material models are developed to account for nonlinear material behavior under arbitrary deformations. The development of a volumetric hyperelastic model makes it possible for the first time to approximate the structural behavior of TSSA under constrained tensile load and cavitation. The material models discussed here were implemented in a finite element code for validation, and their quality was confirmed by three-dimensional numerical simulations, in which an additional stretch-based failure criterion was evaluated for failure prediction. The numerical studies are in good agreement with the experimental results.




Reinforcing and Detailing of Thin Sheet Metal Using Wire Arc Additive Manufacturing as an Application in Facades


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The presented book deals with the use of Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) as a means of stiffening and reinforcing free-form sheet metal as an application in facade. The main focus of the research is developing a methodology for welding ontop of pre-bent sheet metal; including digitizing of arbitrarily-formed sheet metal, developing of process-parameters for welding on thin sheet metal and generating force-responsive welding paths. The research is focused on singly-curved sheet metal profiles, and is concluded by the production of a number of small-scale prototypes which illustrate the potentials for reinforcing sheet metal using WAAM.




The History of the Theory of Structures


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Zehn Jahre nach der 1. Auflage in englischer Sprache legt der Autor sein Buch The History of the Theory of Structures in wesentlich erweiterter Form vor, nunmehr mit dem Untertitel Searching for Equilibrium. Mit dem vorliegenden Buch lädt der Verfasser seine Leser zur Suche nach dem Gleichgewicht von Tragwerken auf Zeitreisen ein. Die Zeitreisen setzen mit der Entstehung der Statik und Festigkeitslehre eines Leonardo und Galilei ein und erreichen ihren ersten Höhepunkt mit den baustatischen Theorien über den Balken, Erddruck und das Gewölbe von Coulomb am Ende des 18. Jahrhunderts. Im folgenden Jahrhundert formiert sich die Baustatik mit Navier, Culmann, Maxwell, Rankine, Mohr, Castigliano und Müller-Breslau zu einer technikwissenschaftlichen Grundlagendisziplin, die im 20. Jahrhundert in Gestalt der modernen Strukturmechanik bei der Herausbildung der konstruktiven Sprache des Stahl-, Stahlbeton-, Flugzeug-, Automobil- und des Schiffbaus eine tragende Rolle spielt. Dabei setzt der Autor den inhaltlichen Schwerpunkt auf die Formierung und Entwicklung moderner numerischer Ingenieurmethoden wie der Finite-Elemente-Methode und beschreibt ihre disziplinäre Integration in der Computational Mechanics. Kurze, durch historische Skizzen unterstützte Einblicke in gängige Berechnungsverfahren erleichtern den Zugang zur Geschichte der Strukturmechanik und Erddrucktheorie vom heutigen Stand der Ingenieurpraxis und stellen einen auch einen wichtigen Beitrag zur Ingenieurpädagogik dar. Dem Autor gelingt es, die Unterschiedlichkeit der Akteure hinsichtlich ihres technisch-wissenschaftlichen Profils und ihrer Persönlichkeit plastisch zu schildern und das Verständnis für den gesellschaftlichen Kontext zu erzeugen. So werden in 260 Kurzbiografien die subjektive Dimension der Baustatik und der Strukturmechanik von der frühen Neuzeit bis heute entfaltet. Dabei werden die wesentlichen Beiträge der Protagonisten der Baustatik besprochen und in die nachfolgende Bibliografie integriert. Berücksichtigt wurden nicht nur Bauingenieure und Architekten, sondern auch Mathematiker, Physiker, Maschinenbauer sowie Flugzeug- und Schiffbauer. Neben den bekannten Persönlichkeiten der Baustatik, wie Coulomb, Culmann, Maxwell, Mohr, Müller-Breslau, Navier, Rankine, Saint-Venant, Timoshenko und Westergaard, wurden u. a. auch G. Green, A. N. Krylov, G. Li, A. J. S. Pippard, W. Prager, H. A. Schade, A. W. Skempton, C. A. Truesdell, J. A. L. Waddell und H. Wagner berücksichtigt. Den Wegbereitern der Moderne in der Baustatik J. H. Argyris, R. W. Clough, Th. v. Kármán, M. J. Turner und O. C. Zienkiewicz wurden umfangreiche Biografien gewidmet. Eine ca. 4500 Titel umfassende Bibliografie rundet das Werk ab. Neue Inhalte der 2. Auflage sind: Erddrucktheorie, Traglastverfahren, historische Lehrbuchanalyse, Stahlbrückenbau, Leichtbau, Platten- und Schalentheorie, Greensche Funktion, Computerstatik, FEM, Computergestützte Graphostatik und Historische Technikwissenschaft. Gegenüber der 1., englischen Ausgabe wurde der Seitenumfang um 50 % auf nunmehr etwas über 1200 Druckseiten gesteigert. Das vorliegende Buch ist die erste zusammenfassende historische Gesamtdarstellung der Baustatik vom 16. Jahrhundert bis heute. Über die Reihe edition Bautechnikgeschichte: Mit erstaunlicher Dynamik hat sich die Bautechnikgeschichte in den vergangenen Jahrzehnten zu einer höchst lebendigen, international vernetzten und viel beachteten eigenständigen Disziplin entwickelt. Auch wenn die nationalen Forschungszugänge unterschiedliche Akzente setzen, eint sie doch das Bewusstsein, dass gerade die inhaltliche und methodische Vielfalt und das damit verbundene synthetische Potenzial die Stärke des neuen Forschungsfeldes ausmachen. Bautechnikgeschichte erschließt neue Formen des Verstehens von Bauen zwischen Ingenieurwesen und Architektur, zwischen Bau- und Kunst-, Technik- und Wissenschaftsgeschichte. Mit der edition Bautechnikgeschichte erhält die neue Disziplin erstmals einen Ort für die Publikation wichtiger Arbeiten auf angemessenem Niveau in hochwertiger Gestaltung. Die Bücher erscheinen in deutscher oder englischer Sprache. Beide Hauptrichtungen der Bautechnikgeschichte, der eher konstruktionsgeschichtlich und der eher theoriegeschichtlich geleitete Zugang, finden Berücksichtigung; das Spektrum der Bände reicht von Überblickswerken über Monographien zu Einzelaspekten oder -bauten bis hin zu Biographien bedeutender Ingenieurpersönlichkeiten. Ein international besetzter Wissenschaftlicher Beirat unterstützt die Herausgeber in der Umsetzung des Konzepts.




Dissertation


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This work presents a new method for the calculation of elasto-plastic building ground deformations and elasto-plastic building ground failure with included wave propagation in the ground. The presented procedure is a hybrid method, based on several common calculation methods. Included is the nonlinear calculation with the finite element method (FEM), a nonlinear HHT-a method and the scaled boundary finite element method (SBFEM). Focuses of this work are the implementation of an elasto-plastic soil model with isotropic hardening, the derivation and implementation of a nonlinear HHT-a method with full Newton-Raphson iteration, and the implementation of these methods and the SBFEM in a nonlinear overall calculation scheme. Here, the overall calculation scheme represents a new calculation method in the time domain, because the combination of the named methods does not yet exist. The applicability of the developed method is given with the help of several examples of different complexity.




Konstruktionslehre des Stahlbetons


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Experimental Investigations on Joining Techniques for Paper Structures


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The background of this research is related to innovative lightweight construction methods for short-term applications realized with highly recyclable materials produced from renewable resources. Specifically, the possibility of using selected paper-based products for design purposes is examined. The main topic discussed regards the state of the art and future potential of joining techniques for assemblies and structures designed with paper-based products. In this context, the preference on paper-tubes for a variety of designs is examined closely. A collection of case studies for selected joining techniques supported with digital tools, fabrication of prototypes and targeted structural experiments demonstrates possibilities and considerations. This book presents the research process and aims to inspire architects, designers and engineers who are eager to discuss on material innovation and the steps that need to be taken to examine the feasibility of such ideas.




On the Fracture Behaviour and the Fracture Pattern Morphology of Tempered Soda-Lime Glass


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The main criteria for assessing the load-bearing behaviour and risk potential of monolithic glass are its fragmentation and the morphology of the fragments. These depend strongly non-linearly on the strain energy density present in the glass at the time of fracture, which can be converted into fracture energy. Thus, the design and optimization of structural glazing in engineering requires both knowledge of the relevant parameters and mechanisms during the fracture process in glass and an understanding of the characteristics of the fracture structure. Based on fracture mechanics considerations and comprehensive experimental investigations, various aspects and physical quantities of fracture behaviour as well as characteristics and parameters of fracture pattern morphology of fragmented, tempered soda-lime glass were studied and correlated with the stored strain energy. The relationship between fragmentation behavior and strain energy was elaborated using the energy criterion in Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) related to the initial strain energy before fragmentation and in the post-fracture state. Furthermore, a machine learning inspired approach for the prediction of 2D macro-scale fragmentation of tempered glass was developed and elaborated based on fracture mechanics considerations and statistical analysis of the fracture pattern morphology. A method was deduced and applied in which the fracture pattern of tempered glass is predicted and simulated by Voronoi tessellation of point patterns based on Bayesian spatial point statistics fed with energy conditions in LEFM.