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Das Team X4S der Hochschule Biberach entwickelt und plant für den SDE 21/22 eine Aufstockung mit vier Geschossen in Holzbauweise auf ein zweigeschossiges Bestandsgebäude im Quartier Wuppertal-Mirke. Ziele des Beitrags ist die Schaffung von neuem Wohnraum und Büroflächen. Solarenergienutzung in der Fassade und auf dem Dach soll die C02-neutrale Betrieb des Gebäudes aus Bestand und Aufstockung ermöglichen. Die Baukonstruktion der Aufstockung ist auf Langlebigkeit, Trennbarkeit, Wiederverwertbarkeit der verwendeten Roh- und Baustoffe ausgerichtet. In diesem Betrag werden die Konstruktion der Gebäudehülle und die bauphysikalischen Eigenschaften des Gebäudes mit einem Fokus auf ihre Bedeutung für das Energiesystem vorgestellt.

X4S - Climate-neutral living and working in the urban environment
Team X4S of Biberach University of Applied Sciences is developing and planning a four-storey addition in timber construction to a two-storey existing building in the Wuppertal-Mirke neighbourhood for SDE 21/22. The aim of this contribution are to create new living space and office space. The use of solar energy in the façade and on the roof allows for the C02-neutral use of the building from the existing building and the extension. The construction of the extension is based on durability, separability and recyclability of the raw and building materials used. In this paper, the construction of the building envelope and the physical properties of the building are presented with a focus on their significance for the energy system.

Es wird über den vom Internationalen Spannbeton-Verband (FIP) im Jahr 1986 in New Dehli veranstalteten Kongress berichtet.

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Herrn Dipl.-Ing. Rainer Müller-Donges zur Vollendung des 80. Lebensjahres gewidmet
Wölbsteifen bieten die Möglichkeit, auf Torsion belastete drillweiche I-Träger durch die sogenannte Drillkopplung zu versteifen. In der Praxis ist das Biegedrillknicken, ein komplexes Stabilitätsversagen, besonders bei schlanken I-Trägern häufig maßgebend für deren Bemessung. Die Wölbversteifung von I-Trägern gegen Torsion hat auch auf den Biegedrillknickwiderstand einen positiven Einfluss. So können in den Trägerverlauf eingeschweißte Wölbsteifen das System derart versteifen, dass auf die Wahl größerer Trägerprofile verzichtet werden kann. Ausgehend von Wölbsteifen in Form von U-Profilen kann deren Geometrie hinsichtlich Materialeinsparungen noch optimiert werden, ohne dass das Gesamtsystem signifikante Steifigkeitsverluste gegenüber den vollen U-Profilen erfährt. In dieser Hinsicht stellt die additive Fertigung eine Alternative zur konventionellen Herstellung von Wölbsteifen dar. Der vorliegende Beitrag zeigt neben einem Überblick über Wölbsteifen anhand einer Fallstudie, inwiefern das ideelle Biegedrillknickmoment eines drillweichen Einfeld-I-Trägers durch Wölbsteifen erhöht werden kann. Betrachtet wird außerdem die Optimierung der Wölbsteifengeometrie und deren Auswirkung auf die Stabilität des Trägers.

Warping springs and their potential for stiffening i-beams at risk of lateral torsional buckling - a case study
Warping springs offer the possibility to stiffen drill-soft I-beams under torsion by means of the so-called drill coupling. In practice, lateral torsional buckling, a complex stability failure, is often decisive for the design of slender I-beams. The stiffening of I-beams against torsion with warping springs also has a positive influence on the lateral torsional buckling resistance. For example, hollow warping springs welded into the beam can stiffen the system to such an extent that the choice of larger beam sections can be avoided. Starting from warping springs in the form of U-profiles, their geometry can be optimised in terms of material savings without the overall system experiencing significant losses in stiffness compared to the full U-profiles. In this respect, additive manufacturing represents an alternative to the conventional production of warping springs. In addition to an overview of warping springs, this paper shows by means of a case study to what extent the lateral torsional buckling of a drill-soft single-span I-beam can be increased by warping springs. The optimisation of the warping spring geometry and its effect on the stability of the beam is also considered.

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Die Analogie zwischen der Theorie der Wölbkrafttorsion und der Theorie II. Ordnung für den Biegestab mit Längszug gilt auch dann noch, wenn bei der Wölbkrafttorsion die Schubverfor-mungen der sekundären Torsion und beim Biegestab die Querkraftverformungen zusätzlich berücksichtigt werden. Auf der Basis dieser Analogie wird die Dreimomentengleichung zur Berechnung von Durchlaufträgern mit konstantem Querschnitt angegeben. Es wird gezeigt, dass die sekundären Schubverformungen bei offenen Querschnitten in der Regel vernachlässigbar sind, bei geschlossenen Querschnitten aber stets berücksichtigt werden müssen. Ebenso wird gezeigt, dass bei diesen geschlossenen Querschnitten die Wölbkrafttorsion i.w. nur an "Störstellen" auftritt, dort aber Spannungen hervorruft, die gegenüber jenen der primären Torsion nicht vernachlässigbar sind.

Die weniger anschauliche Theorie der Wölbkrafttorsion kann durch die wesentlich anschaulichere Theorie II. Ordnung des Biegestabes mit Längszugkraft ersetzt werden, indem die Biegezugstabanalogie verwendet wird. Dass dieses Vorgehen nicht mehr zulässig ist, wenn es sich um einen Stab mit veränderlichem Querschnitt handelt, wird im vorliegenden Beitrag gezeigt. Für einen verallgemeinerten, einfachsymmetrischen I-Querschnitt mit linear veränderlicher Steghöhe und Gurtbreite werden alle erforderlichen Formeln zur Berechnung der Schnitt- und Verschiebungsgrößen auf Basis der Übertragungsbeziehung entwickelt und die zur Ermittlung der Wölbnormal- und Wölbschubspannungen benötigten Beziehungen angegeben. Die Anwendung wird anhand von drei Beispielen gezeigt, beim ersten Beispiel sind auch die Ergebnisse nach der Biegezugstabanalogie angegeben, dabei zeigt sich, dass die Zustandsgrößen der sekundären Torsion i. d. R. nicht einmal das richtige Vorzeichen aufweisen.

Die Speicherung von Energie ist in der Wärmeversorgung von Gebäuden ein lange bekanntes Prinzip zur Sicherstellung optimaler Effizienz und bei der Einbeziehung erneuerbarer Energie eine Notwendigkeit. Eine neue Form des Eisspeichers als erdvergrabenes Wasserreservoir ist in den letzten Jahren vermehrt zum Einsatz gekommen. Da in vielen Fällen Unklarheit über die möglichen Energieflüsse bei der Beladung und bei der Entladung herrschen, sollen hier die Wärmeübertragungsbedingungen des Entzugswärmeübertragers im Eispeicher und die Wärmegewinne aus dem Erdreich diskutiert werden.

Heat transfer in ice storage and energy gains from the soil.
Storage of energy is a well-established principle in the heat supply of buildings for ensuring optimal efficiency and a necessity for the inclusion of renewable energy. A new form of ice storage as a buried water reservoir has been increasingly used in recent years. Since in many cases there is uncertainty about the possible energy flows during loading and unloading, the heat transfer conditions of the withdrawal heat exchanger in the ice storage and the heat gains from the soil are to be discussed here.

Nach der Wärmeschutzverordnung von 1994 müssen Heizkörper, die vor Fensterflächen angeordnet werden, mit einer rückseitigen, nicht demontierbaren Abdeckung versehen sein, deren Wärmedurchgangskoeffizient k kleiner als 0,9 W/(m²K) betragen muß. Da aufgrund abweichender Randbedingungen zur Bestimmung des k-Wertes einer solchen Konstruktion nicht die üblicherweise verwendeten Wärmeübergangswiderstände angesetzt werden können, wurde im Bundesanzeigr als hinreichendes Kriterium der Nachweis eines Wärmedurchlaßwiderstandes 1/ lambda größer als 0,85 m²K/W vorgegeben. Durch eine iterative Bestimmung des tatsächlich vorhandenen Wärmeübergangswiderstandes und des daraus ermittelten k-Wertes konnte gezeigt werden, daß der im Bundesanzeiger aufgeführte Anforderungswert an den Wärmedurchlaßwiderstand nicht zur Einhaltung der Anforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten nach Wärmeschutzverordnung ausreicht.

Die thermische Nutzung des Untergrunds mithilfe von erdberührenden Bauteilen findet in den letzten Jahren immer weitere Verbreitung. Ausführungsbeispiele finden sich z. B. für Energiepfähle, Energieschlitzwände, Energiebodenplatten oder Energietunnel. Am Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen der RWTH Aachen (GiB) wurden in diesem Zusammenhang thermo-aktive Abdichtungselemente entwickelt und in ersten großmaßstäblichen Laborversuchen erprobt.
Für eine effiziente Anlagenauslegung ist die wirklichkeitsnahe Beschreibung des Wärmeübergangs zwischen Bauteil und Untergrund von entscheidender Bedeutung. Während für rotationssymmetrische Systeme in der Praxis erprobte Ansätze existieren, fehlen für flächige Bauteile entsprechende Formulierungen. Am GiB wurde daher in Zusammenarbeit mit der Geophysica Beratungsgesellschaft mbH ein Berechnungsmodul für flächige Bauteile entwickelt, welches alle relevanten Wärmeübergangsvorgänge über eine Sternschaltung von Widerständen zusammenfasst. Das Modul wurde als Flächenelement in das Finite-Differenzen-Programm Shemat-Suite implementiert, welches sich bereits für die Simulation von geothermischen Anlagen bewährt hat. Durch diese Kopplung können alle (Strömungs-)Vorgänge im Untergrund und im geothermischen System abgebildet werden. Die Rechenzeiten sind jedoch im Vergleich zu reinen numerischen Simulationen - bei denen das Bauteil vollständig diskretisiert werden muss - deutlich reduziert.

Thermal resistance for plane thermo-active geotechnical systems using the example of thermo-active seal-panels
The use of geothermal energy with thermo-active geothermal systems has been constantly increasing over the last years. There are examples for Energy-Piles, Energy-Diaphragm-Walls or Energy-Slabs documented. The chair of Geotechnical Engineering (RWTH Aachen University) has developed thermo-active seal panels, which are based on the principle of thermo-active structures made of concrete. The seal panels were tested in large-scale laboratory tests showing very satisfying results.
The realistic description of the heat transfer between soil and structural element is paramount for the design of a geothermal plant. Regarding rotationally symmetric systems there are several modeling tools. In contrast, there are no comparable models for plane elements documented. Therefore, the chair of Geotechnical Engineering, in cooperation with Geophysica Beratungsgesellschaft mbH, developed a mathematical model, which includes all important parameters. The different heat transfer processes are summed-up to a thermal resistance model, which is implemented in a Finite Difference Code (Shemat-Suite).

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Die Berechnung zusätzlicher Wärmeverluste von Bauteilen mit integrierter Heizfläche nach DIN EN 832 und DIN V 4108-6 wird analysiert. Es wird diskutiert, unter welchen Bedingungen diese Wärmeverluste vernachlässigt werden können. Auf zahlreiche fehlerhafte Umsetzungen in Berechnungsprogrammen für Nachweise nach der EnEV 2002 wird hingewiesen.

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Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über einige laufende und abgeschlossene Forschungsprojekte auf dem Gebiet des Membranbaus an der Hochschule für Technik (HFT) Stuttgart. Eine zentrale Herausforderung im Membranbau ist die Beeinflussung des radiativen Wärmeeintrags bzw. des Wärmeverlustes durch die Gebäudehülle zur energieeffizienten Gewährleistung einer komfortablen Raumtemperierung für die Nutzer ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Tageslichtqualität. An der HFT wurde diese Fragestellung mit unterschiedlichen Ansätzen im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte messtechnisch und numerisch behandelt. Im Projekt SoFt wurde die Vereinbarkeit von Dämmwirkung und Lichtdurchlässigkeit untersucht und mit der Dachkonstruktion einer Sporthalle realisiert. Im Rahmen des Projekts FMESG wurde eine statische, winkelselektive Verschattungseinheit nach dem Vorbild eines Sheddachs entworfen, numerisch untersucht und bis zum Prototypenstadium entwickelt. Der Einfluss von Oberflächenbeschichtung niedriger Emissivität auf die Wärmeströme durch ETFE-Gebäudehüllenelemente wurde im Projekt Follow-e2 adressiert und mit den Mitteln der dynamischen Gebäudesimulation numerisch untersucht. Das Potenzial zur Reduzierung des Energiebedarfs von Gebäuden durch dynamische Verschattung mittels elektrochromer Elemente wurde im Projekt FLEX-G mit den Mitteln numerischer Gebäudesimulation und heuristischer Optimierungsverfahren untersucht.

Research activities with regard to membrane construction at HFT Stuttgart
In the presented article we give an overview to some of the recent and ongoing research projects at Hochschule für Technik Stuttgart (HFT) in the context of membrane buildings. One of the major challenges in the context of membrane building is the regulation of the radiative heat flux entering the building as well as thermal losses across the building envelope while still providing comfortable room temperature and daylight use for the inhabitants. The accomplishment of this task, investigated by means of measurements and numerical simulation was the scope of several research projects at HFT Stuttgart. Within the research project “SoFt” the compatibility of insulation and translucency was investigated and realized within the roof construction of a sports center in Germany. One of the objects of the research project “FMESG” was the realization and numerical simulation of an angle-selective static solution for partial shading, analogous to a miniature saw tooth roof configuration, up to the point of a working prototype. The project “Follow-e2” tackled the influence of low emissivity surface coatings on the energy balance of membrane constructions by means of numerical simulation. Within the project “FLEX-G” the potential for reduction of energy demand by dynamic shading with electrochromic elements was investigated by means of dynamic building simulation and heuristic optimization.

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Für 4 Kalksandsteinwände mit unterschiedlicher Wandkonstruktion und Eigengewicht werden die Eigenschaften bezüglich Wärmedämmung, Wärmespeicherfähigkeit und Wärmedämpfung untersucht. Es zeigt sich, daß bei gleichen Wärmedämmeigenschaften bei schweren Wandaufbauten die Vorteile bei Wärmespeicherfähigkeit und sommerlichem Wärmeschutz gegenüber den leichteren Wänden erheblich sind.

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Membrankonstruktionen werden in der modernen Architektur zunehmend als Dach- und Fassadenkonstruktion eingesetzt. Besonders ETFE-Folien (Ethylen-Tetrafluorethylen) eignen sich aufgrund ihrer hohen Transparenz und ihres geringen Gewichts als Substitut für Glas, wenn es darum geht, große Flächen freitragend und transparent zu überspannen.
Gerade in jüngerer Zeit werden durch prestigeträchtige Bauten, wie die Allianz-Arena in München (Bild 1), Membranen auch in der Öffentlichkeit vermehrt als eigenständiger Baustoff wahrgenommen, mit dem sich vollständige Gebäudefassaden realisieren lassen. Neben offenen Anlagen, wie Fußball-Arenen, werden aber auch zunehmend geschlossene Gebäude mit Membrankissen-Hüllen realisiert. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der sogenannte “Water Cube” - das National Aquatics Center in Peking, das anlässlich der Olympischen Spiele 2008 errichtet wurde. Der steigende Markterfolg ist vor allem dem neuartigen und optisch ansprechenden Charakter sowie dem geringen Gewicht solcher Konstruktionen zuzuschreiben.
Bei allen Vorteilen, die der konstruktive Membranbau mit transparenten Folienkissen bietet, sind noch zahlreiche bauphysikalische Fragen ungeklärt. Insbesondere für eine fundierte und gesicherte wärmetechnische Beurteilung fehlen bislang angepasste Bemessungsverfahren und normative Festlegungen, die den Besonderheiten von Membrankonstruktionen Rechnung tragen. Für die geforderten Nachweise werden deshalb meist Prüfverfahren und Vorschriften aus anderen Baubereichen herangezogen, die oft nicht oder nicht ausreichend dafür geeignet sind.

Thermo-technical characteristics of membrane cushion constructions
Membrane structures are increasingly used in modern architecture as a roof and facade construction. Especially ETFE foils (ethylene-tetrafluoroethylene) are suitable as a substitute for glass to span large areas due to their high transparency and low weight.
Particularly in recent times, due to prestigious buildings, such as the Allianz-Arena in Munich (Fig. 1), membranes are increasingly perceived as a separate building material to realize full building facades. Apart from open buildings, such as football stadiums, more and more closed buildings are realized with membrane cushion covers. A well-known example is the so-called “Water Cube” - the National Aquatics Center in Peking, which was built for the 2008 Olympic Games. The increasing market success can be attributed mainly to the novel and visually appealing character and the light weight of such constructions.
In spite of all the benefits that such membrane constructions provides, numerous building physical questions remain still unanswered. Especially for a basic and reliable heat-technical assessment adapted design methods and standards are missing, which take the specific characteristics of membrane structures into account. For required proof tests therefore procedures and standards are used from other construction areas, which are often not suitable or not sufficient for it.