The UK has committed to deep, long-term reductions in national greenhouse gas emissions as part of a global effort to address climate change. Material efficiency, reducing the material inputs per service output, has long been identified as a globally underexplored mitigation strategy. Previous studies show unrealised technical potential to improve the efficiency of steel use, a large contributor of industry emissions, in the UK. This thesis explores why these opportunities may be unrealised along the steel supply chain.

Construction is known for consuming large quantities of raw materials and high amounts of energy. In 2018, the construction industry was responsible for 6% of global energy consumption, 11% of global CO2 emissions, and approximately 36% of the total waste in the European Union. These drawbacks are just a part of the gap between the construction sector and Sustainability, which can also be perceived as challenges to the industry and demands for new and innovative strategies to increase Sustainability. For example, recent efforts of EcoDesign on structural systems show a trend in the importance of materials efficiency, durability, adaptability, and reuse.    This thesis aims to create a set of guidelines that will help designers and other construction stakeholders apply Design for Deconstruction and Adaptability DfD/A principles to increase the knowledge of how structural design and structural systems in buildings can be designed to promote Sustainability. For this purpose, a grading tool to assess structural systems based on the ISO 20887 was developed. The general methodology for this research was adapted from Design Research Methodology with a particular focus on the Product Development approach for the tool development. A literature Review was conducted in both scientific and grey literature to identify relevant information and current efforts on sustainable design of structural systems and application of DfD/A principles on the construction sector. Three additional methods for data collection were used: (1) questionnaire for identification of customer needs and expectations, (2) benchmarking to identify similar tools, strategies, and certifications systems that include sustainability performance in buildings; and (3) workshops with the purpose to rate the usefulness quality of the tool based on the application of the tool by potential users in different case studies.  A ready-to-use computer-based EcoDesign tool was developed. The assessment performed by this tool consists of an indicator system of DfD/A strategies to enhance sustainable development by improving material efficiency and stimulate a circular economy in the construction sector. A top-down approach was used for the concept generation, which starts with the ReBuilding Index as an indicator of sustainable performance for structural systems. This index is based on five categories defined on the relationship of the DfD/A principles with the design process of the structural system. A total of 20 principles are distributed in these categories, defined by 54 strategies to reach the goal of the principles.     The tool was tested by 11 potential users with different roles in the construction sector. Five case studies were selected to grade the design of five different typologies of structural systems. The usefulness quality of the tool was evaluated based on indicators of usability, utility, and user experience. It was found that developing the tool based on DfD/A principles and the ISO 20887 gave the tool a solid theoretical background and a flexible structure that can be used for sustainable design or as part of an extensive framework of certification systems or ecolabel programs. The tool accomplishes the goal of grading and helping to improve the structural design. However, during the evaluation of the tool, many barriers and difficulties of application were found. Therefore, these findings and obstacles are instead identified as challenges and turn them into opportunities for improvements in future versions of the tool. / InFutUReWood project

Moderne architektonische Fassadengestaltungen und Ganzglaskonstruktionen fordern immer häufiger entmaterialisiert wirkende Ansichten mit maximaler Transparenz für eine edle Erscheinung und einen hohen Grad an natürlicher Belichtung. Damit gehen große Spannweiten einher. Diese führen zu stark dimensionierten Glasaufbauten und bringen hohes Eigengewicht in die Konstruktion ein. Die Verfügbarkeit von Dünnglas in bautechnisch relevanten Abmessungen ermöglicht neue gewichtssparende Konstruktionsprinzipien und innovative Materialkombinationen. Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten bestehen aus einem leichten transparenten Kunststoffkern mit außenliegenden kratzbeständigen und dauerhaften Deckschichten aus Dünnglas. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, Dauerhaftigkeit und volle Transparenz bei geringem Eigengewicht. Die Aushärtung der Ausgangskomponenten des Kunststoffkerns erfolgt direkt zwischen den Deckschichten und erzeugt dadurch einen vollflächigen Verbund zwischen Glas und Kunststoff ohne zusätzliche Zwischenschichten. Im Bauwesen sind Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten bislang unbekannt. Es liegen weder ausreichend Kenntnisse zu den Material- und Verbundeigenschaften vor noch sind die Eigenschaften als Bauprodukt entsprechend den hohen strukturellen und sicherheitstechnischen Anforderungen sowie den Ansprüchen an die Dauerhaftigkeit und an die optischen Eigenschaften nachgewiesen. Darüber hinaus fehlen konkrete Verbindungskonzepte zur Integration in das Bauwesen, um das Leichtbaupotenzial für entmaterialisiert wirkende transparente Konstruktionen auszunutzen. Im Rahmen dieser Arbeit werden erstmals Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten als innovatives Leichtbauprodukt systematisch untersucht und in das Bauwesen eingeordnet. Experimentelle und numerische Untersuchungen charakterisieren die Material- und Verbundeigenschaften mit zwei, am Markt verfügbaren, Kunststoffkernmaterialien – Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyurethan (PU), die jeweils für ein unterschiedliches Eigenschaftsspektrum stehen. Darüber hinaus wird zur Umsetzung maximaler Transparenz eine materialgerechte Verbindungstechnik entwickelt und deren mechanische Tragfähigkeiten charakterisiert. Zunächst werden in experimentellen Kleinteilprüfungen die thermophysikalischen und mechanischen Kennwerte der reinen Kunststoffkernmaterialien für die Beschreibung des Tragverhaltens im Verbund ermittelt. Anhand der Ergebnisse werden das PMMA als steifes, dauerhaftes, aber sprödes Material und das PU als vergleichsweise flexibles, zähes Material charakterisiert. Die experimentellen Untersuchungen zum Verbundverhalten fokussieren sich auf die Anforderungen für den Einsatz im Bauwesen. Eine numerische Strukturanalyse erweitert die Ergebnisse zum Tragverhalten und klärt offengebliebene Fragestellungen zum thermischen Ausdehnungsverhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten ein effizientes Tragverhalten und eine signifikante Gewichtsreduktion gegenüber herkömmlichem monolithischem Glas und Verbundglas erreicht wird. Anhand der spezifizierten Verbundeigenschaften werden resultierende Anwendungspotenziale entsprechend der Materialkombination abgeleitet. Die weiterführende Entwicklung einer tragfähig in den Kunststoffkern integrierten Verbindungstechnik bietet innovative Anbindungsmöglichkeiten für Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten im Strukturleichtbau. Die Funktionsweise wurde anhand eines Konstruktionsbeispiels auf der „glasstec 2022“ demonstriert. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine strukturierte Kennwertsammlung zur erstmaligen ingenieurmäßigen Beschreibung des Material- und Verbundverhaltens von Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten mit zwei unterschiedlichen Kunststoffkernmaterialien. Die Materialkombination aus Dünnglas und PMMA-Kunststoffkern erzielt die größte Materialeffizienz für eine effektive Gewichtsreduktion und erfüllt die grundlegenden Anforderungen aus dem Bauwesen. Anhand der weiterführend entwickelten konstruktiven Verbindungstechnik wird ein breiter Anwendungsbereich erschlossen. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit werden somit die Grundlagen für die Einführung als Bauprodukt und für eine gewichtssparende Konstruktionsweise zur Umsetzung maximaler Transparenz geschaffen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten 4 Materialcharakterisierung Kunststoffkern 5 Verbundverhalten 6 Numerische Strukturanalyse 7 Einordnung in das Bauwesen 8 Konstruktive Verbindungstechnik 9 Konstruktionsbeispiel und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur / Modern façade designs and all-glass construction are increasingly calling for dematerialisation and maximum transparency for a sophisticated appearance and a high degree of natural lighting. This is accompanied by large glass spans leading to increasing thickness of glass panels that introduce a high dead load into the supporting structure. The availability of thin glass in architecturally relevant dimensions permits new lightweight design principles and innovative material combinations. Innovative thin glass-plastic-composite panels consist of a lightweight and transparent polymeric interlayer core with scratch-resistant and durable cover layers of thin glass. They offer high stiffness, durability and full transparency at a low specific weight. The raw components of the polymer core are directly cured between the cover layers resulting in a chemical bond between glass and polymer over the entire surface without the need for additional interlayers. The thin glass-plastic-composite panels are currently unknown in the building industry. There is a lack of knowledge about the material and its composite behaviour. It has not been verified as a building product in accordance with the high structural and safety requirements as well as the requirements for durability and optical properties. In order to employ the lightweight design potential for dematerialised and transparent construction suitable for the building industry, there is a need for specific and material-appropriate connection techniques. In the context of this thesis, the novel thin glass-plastic-composite panels are systematically investigated in order to assess them as an innovative lightweight product. For the first time, they are classified in detail for application in the building industry. Material and composite properties using two different polymeric interlayer core materials – polymethyl methacrylate (PMMA) and polyurethane (PU) – are characterised by means of experimental and numerical investigations. Moreover, to achieve maximum transparency, a material-specific connection technique is developed and a wide range of mechanical load-bearing capacities are specified. First of all, the thermophysical and mechanical parameters of the pure polymer core materials are determined in experimental small part tests for the description of the composite load-bearing behaviour. The results identify the PMMA as a stiff, durable but brittle material and the PU as a fairly flexible, viscoelastic material. The investigations on the composite behaviour focus on the demands for use in the building industry and include experimental tests on the durability, the adhesion, the composite load-bearing behaviour as well as the response to hard and soft body impacts. A numerical analysis extends the results of experimental investigations on the structural load-bearing behaviour and examines the thermal expansion behaviour. The results indicate that the new material combination achieves a highly efficient structural load-bearing behaviour and a significant weight reduction compared to conventional monolithic and laminated glass. Application possibilities are derived based on the observed interlayer core material and composite characteristics. Further development of a connection technique as an integrated design into the polymeric interlayer core offers wide-ranging concepts of connecting thin glass-plastic-composite panels. Its functionality and practicability have been demonstrated in a construction prototype exhibited at “glasstec 2022” fair. The present work contains a well-structured material dataset to describe the material and composite behaviour of thin glass-plastic-composite panels comprehensively with two different polymeric interlayer core materials in engineering methodology. The material combination of thin glass and PMMA interlayer core achieves outstanding material efficiency with an effective weight reduction and fulfils the general requirements for application in building industry. A wide range of applications is facilitated thanks to the further development of a slim and integrated structural connection technique. The results of this work provide the framework for the introduction of a new lightweight building product with an innovative structural design to realise maximum transparency of façades and all-glass structures.:1 Einleitung 2 Grundlagen 3 Dünnglas-Kunststoff-Hybridplatten 4 Materialcharakterisierung Kunststoffkern 5 Verbundverhalten 6 Numerische Strukturanalyse 7 Einordnung in das Bauwesen 8 Konstruktive Verbindungstechnik 9 Konstruktionsbeispiel und Empfehlungen 10 Zusammenfassung und Ausblick 11 Literatur

Die Arbeit richtet sich an Personen der vorwettbewerblichen werkstofftechnischen Forschung und Entwicklung bzw. Personen, die mit einer Produktvorentwicklung betraut sind. Die Arbeit erhebt den Anspruch, für diese Phase eine Vorgehensweise aufzuzeigen, die durch die Nutzung einfach zugänglicher Kenngrößen verschiedenster werkstoff-, produktions- und produkttechnischer Kriterien eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung ermöglicht. In der Arbeit werden anhand identifizierter Strategien werkstofftechnische Maßnahmen zur Steigerung der Nachhaltigkeit in der Produktion aufgegriffen und diskutiert. Es werden Betrachtungsraumgrenzen im Werkstofflebenszyklus erörtert, sowie das Wirken werkstofftechnischer Maßnahmen im Kontext einer nachhaltigen, ressourceneffizienten Produktion diskutiert. Anhand der erarbeiteten Grundlagen werden Kriterien festgelegt, welche die Wirkung werkstofftechnischer Maßnahmen auf die Nachhaltigkeit eines Produkts oder Prozesses sichtbar machen. Im Anschluss wird ein formalisiertes Vorgehen vorgestellt, mit dem konkrete Maßnahmen innerhalb verschiedener Betrachtungsraumgrenzen bewertet und verglichen werden können. Schließlich erfolgt unter Anwendung dieses Vorgehens die Bewertung verschiedener Beispiele werkstofftechnischer Maßnahmen, die nachhaltige Produkte bzw. Produktionsweisen zum Ziel haben. Die Ergebnisse der Bewertungen bilden dabei zum einen Ausgangspunkte für die Anpassung und Weiterentwicklung der betrachteten Maßnahme. Zum anderen dienen sie als Basis für detailliertere Bewertungen unter Nutzung zusätzlicher ökologischer, ökonomischer und sozialer Nachhaltigkeitskriterien. Die bereitgestellte Vorgehensweise sowie die hinzugezogenen Bewertungskriterien orientieren sich vorrangig an den Aufgaben und Problemstellungen der metallverarbeitenden produzierenden Industrie. / The work is addressed to people involved in pre-competitive materials engineering, research and development, or to people entrusted with preliminary product development. It claims to demonstrate a procedure for this phase of production that enables a comprehensive sustainability assessment by using easily accessible parameters of various criteria from material, production and the product itself. The work uses identified strategies to address and discuss measures from material engineering that aim for an increased sustainability in production. The boundaries of the material life cycle are discussed, as well as the effects of material-related measures in the context of a sustainable, resource-efficient production. Basing on the developed principles, criteria are defined which make the effect of material engineering on the sustainability of a products or processes visible. Subsequently, a formalized procedure is presented with which concrete measures can be evaluated and compared with respect to different boundaries set to the product or material life cycle. Finally, this procedure is used to evaluate different examples of material-related measures. The results of the assessments form both, a starting point for the adaptation and further development of the measure under consideration, and a basis for more detailed evaluations using additional ecological, economic and social sustainability criteria. The introduced approach and evaluation criteria are thereby primarily oriented towards the tasks and problems of metalworking manufacturing industries.