Themenvorschläge für Master-Thesen

Die Additive Fertigung gewinnt in der Baubrache mehr und mehr an Bedeutung. Im Stahlbau ist ein Verfahren mittels Lichtbogenschweißen, das sog. Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) eine aussichtsreiche Fertigungsmethode. Gerade für größere Bauteile ist eine ausreichend hohe Auftragsrate entscheidend. Neben dem Wissen um geeignete Schweißparameter spielt die Kenntnis des Einflusses von Kühlprozessen auf die Fertigung und Materialeigenschaften gedruckter Strukturen eine maßgebende Rolle. Das Fachgebiet Stahlbau verfügt zur Erforschung der Technologie und deren Anwendung über zwei Schweißroboter.

Die Additive Fertigung gewinnt in der Baubrache mehr und mehr an Bedeutung. Im Stahlbau ist ein Verfahren mittels Lichtbogenschweißen, das sog. Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) eine aussichtsreiche Fertigungsmethode. Gerade für größere Bauteile ist eine ausreichend hohe Auftragsrate entscheidend. Neben dem Wissen um geeignete Schweißparameter spielt die Kenntnis des Einflusses von Schutzgasen auf die Fertigung und Materialeigenschaften gedruckter Strukturen eine maßgebende Rolle. Das Fachgebiet Stahlbau verfügt zur Erforschung der Technologie und deren Anwendung über zwei Schweißroboter.

Bei der Bemessung nach DIN EN 1993-1-8 werden nicht durchgeschweißte DHY-Nähte genauso wie Kehlnähte behandelt und nach dem richtungs-bezogenen bzw. vereinfachten Verfahren nachgewiesen. Tatsächlich stellen sich in diesen beiden Schweißnahtverbindungstypen unter Zug jedoch sehr unterschiedliche und komplexe Spannungszustände ein.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen daher experimentelle und numerische Untersuchungen an Schweißnahtverbindungen durchgeführt werden, um die tatsächliche Spannungsverteilung im Schweißnahtbereich zu analysieren.

Werden stahlbautypische Träger auf Torsion belastet, ergeben sich neben Schubspannungen aus St. Venant‘scher Torsion querschnittsbedingt auch Torsionsbeanspruchungen aus der Wölbkrafttorsion. In vielen Fällen ist die Anwendung der einzelnen analytischen Ansätze eindeutig zuordenbar, bspw. bei offenen und geschlossenen Querschnitten. In der Praxis ergeben sich allerdings auch Sonderfälle, die keiner klaren Kategorie unterliegen, bspw. bei Torsion von zusammengesetzten Querschnitten wie Sandwichelementen.

Im Rahmen der Master-Thesis sollen über die Inhalte von Stahlbau IV hinaus vertieft analytische Ansätze behandelt und das Torsionstragverhalten verschiedener Querschnitte für ausgewählte statische Systeme hinsichtlich der Spannungsverteilung, Verdrehungen bzw. Verwölbungen umfassend untersucht und miteinander verglichen werden.

Die Bausubstanz zu erhalten und umzunutzen, anstatt abzureißen und neuzubauen, muss zukünftig zur praktizierten Regel werden und nicht die Ausnahme sein. Ziel soll es künftig sein, Gebäude so zu konstruieren, dass die Grundrissaufteilung leicht verändert werden kann, um eine Umnutzung zu ermöglichen. Somit ist es immens wichtig, eine Konstruktion zu wählen, die eine maximale Flexibilität erlaubt. Hierfür bietet sich die Skelettbauweise an, welche bisher im Stahl- und Massivbau vor allem bei Gewerbebauten eine verbreitete Konstruktionsmethode ist. Bei Gebäuden aus Holz und bei Wohnbauten findet man Skelettbauten eher selten.

Zunächst muss daher untersucht werden, welche Hindernisse überwunden werden müssen, um mehr Holzbauten in Skelettbauweise planen zu können. Ein Ansatzpunkt bildet hier das Optimieren der Gebäudegrundrisse. Für unterschiedliche Wohnungstypen sollen die typischen Grundrisse und Erschließungskonzepte analysiert werden, um Gemeinsamkeiten herauszufinden und sinnvolle Raster zu finden.

Das Raster der Stützen gilt es in verschiedenen Varianten zu untersuchen, um eine sinnvolle Grundrissaufteilung und eine wirtschaftliche Deckenkonstruktion zu gewährleisten. Mögliche Deckensysteme sollen in Abhängigkeit der Spannweite gegenübergestellt werden.

Für eine große Flexibilität bei der Verlegung der Haustechnik können deckengleiche Unterzüge aus Laubholz einen wertvollen Beitrag leisten. Neben einem passenden Raster müssen auch die Verbindungen für das Tragwerkskonzept optimiert werden. Verbindungsdetails sollen daher gesammelt und auf ihre Anwendbarkeit hin bewertet werden. Hierbei soll eine Übersicht über Verbindungsmittel bei Laubholz und deren Grenzen erstellt werden. Eine besondere Herausforderung stellt bei den Verbindungen auch der Brandschutz dar.

Das Ingenieurbüro Fast + Epp befindet sich in zentraler Lage in Darmstadt. Die Bearbeitung der Aufgabenstellung kann nach Absprache teilweise im Büro erfolgen.

Industriehallen werden typischerweise im Stahlbau mit Rahmen oder im Holzbau mit Fachwerkbindern oder Dreigelenkrahmen hergestellt. Dazu werden einachsig spannende Elemente parallel in Querrichtung der Halle angeordnet. DIe biegesteifen Rahmenecken bzw. die Fachwerkknoten sind hierbei komplizierte Verbindungen.

Im Gegensatz hierzu besteht ein reziprokes Dachtragwerk aus einem System von kurzen Einfeldtragern, die sich gegenseitig stützen. Ein reziprokes Tragsystem ist vor allem fur den Holzbau vorteilhaft, da es gänzlich ohne biegesteife Verbindungen auskommt. Die Trager werden in der Mitte oder ihren Drittelsounkten von einem anderen Trager belastet und tragen sich wiederum über zwei andere Träger ab. Die Einfeldträger können entsprechend des Momentenverlaufs gevoutet sein, eine Fischbauchform haben oder mit Seilen unterspannt werden. Die Querschnittsgrößen lassen sich gezielt der statischen Notwendigkeit anpassen, um einen ressourcenschonenden Materialeinsatz sicherzustellen.

Die Anordnung der Träger muss nicht zwingend rechtwinklig sein. Es sind verschiedene Muster denkbar, die einen großen gestalterischen Spielraum lassen. Optisch wirken die miteinander verwobenen Träger wie ein Teppich. Oberlichter oder Sheds lassen sich in das Dachmuster integrieren. Mit reziproken Dachtragwerken können gestalterisch hochwertige und zugleich effiziente Lösungen umgesetzt werden. Ziel der Thesis ist es, reziproke Tragwerke als innovative und nachhaltige Dachkonstruktion für Industriehallen im Holzbau zu untersuchen und weiterzuentwickeln. Neben einer parametrischen Untersuchung unterschiedlicher Raster sollen auch verschiedene Laubhölzer als mögliche Materialien geprüft werden. Einfache Anschlussdetails sollen ein flexibel gestaltbares Dachsystem ermöglichen.

Das Ingenieurbüuro Fast + Epp befindet sich zentraler Lage in Darmstadt. Die Bearbeitung der Aufgabenstellung kann nach Absprache teilweise im Büro erfolgen.

Als Alternative zu Brettschichtholzträgern aus Nadelholz nehmen Träger aus Bau-Buche immer mehr an Bedeutung und Verwendung zu. Bei BauBuche-Trägern werden die Lamellen aus Furnierschichtholz anstelle der bei Brettschichtholz üblichen Nadelholzlamellen hergestellt.

Die Lamellen aus Furnierschichtholz bestehen aus dünnen Furnierschichten aus Buche. Die Furnierschichten werden miteinander verklebt. Träger aus BauBuche haben bei gleichem Querschnitt eine deutliche größere Tragfähigkeit als Brett-schichtholzträger aus Nadelholz. In den Trägern aus BauBuche sind Durchbrüche für TGA erforderlich.

Um das Tragverhalten im Bereich der Durchbrüche beurteilen zu können, sollen bekannte Verfahren zur Bemessung einem numerischen Modell und Ergebnissen aus Versuchen gegenübergestellt werden.

Sandwichelemente besitzen durch ihre Produktion und eine einseitige Sonneneinstrahlung einen inhomogenen Kern. Die aktuellen Bemessungen sind für homogene Kernmaterialien ausgelegt.
Ziel dieser Arbeit ist es den Einfluss eines inhomogenen Kerns und verschiedener Materialparamter auf das Tragverhalten von Sandwichelementen zu erfassen.

Eine neu entwickelte Anwendung im Leichtbau ist das Sandwichelement mit einer zusätzlichen, vorgehängten Fassade. Hierbei wird eine architektonisch frei gestaltbare Fassade exzentrisch an der Außenseite eines Sandwichwandelements befestigt.

Im Rahmen der Master-Thesis soll der bestehender Versuchsaufbau von exzentrisch beanspruchten Sandwichelemente optimiert werden. Hierfür sollen bevorstehende Versuche begleitet und ein numerisches Vergleichsmodell erstellt werden.

Das Sandwichelement mit einer vorgehängten Fassade stellt eine neue Anwendung für den Sandwichbau dar. Hierbei wird eine architektonisch frei gestaltbare Fassade exzentrisch an der Außenseite eines Sandwichwandelements befestigt. Bislang beruhen Berechnungen von exzentrisch belasteten Sandwichelemente auf der St. Venant’schen Torsionstheorie. Jedoch zeigten vorangegangene Untersuchungen, dass diese Vereinfachung nicht zwingend zutrifft.

Im Rahmen der Master-Thesis sollen exzentrisch belastete Sandwichelemente nun als Flächentragwerk numerisch untersucht werden.