Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2007 / Hergestellt on demand

Zugl.: Kassel, Universiẗat, Diss., 2008.

Thesis (doctoral)--Humboldt-Universität, Berlin, 2001. / Includes bibliographical references (p. 152-189).

[pt] Entalhes e mudanças bruscas de geometria são indispensáveis na prática, mas geram uma perturbação no campo de tensões e são responsáveis pela falha da maioria dos componentes estruturais. O presente trabalho tem por objetivo estudar o efeito de concentração de tensão em materiais compósitos. O formalismo de Stroh é utilizado para obter a solução analítica da distribuição de tensão na borda de furos elípticos em placas infinitas anisotrópicas sob tensões nominais aplicados genéricas no plano. A teoria clássica dos laminados é aplicada para obter propriedades equivalentes de laminados simétricos de tal forma que o mesmo possa ser considerado uma placa ortotrópica homogênea de rigidez equivalente. Os critérios de Tsai-Wu, Puck e LaRC05 são estudados pelos seus destacados desempenhos no WWFE (World-Wide Failure Exercise) e aplicados a diversas condições de carregamentos para furos circulares e elípticos para diferentes laminados. O estado multiaxial da distribuição de tensões na borda do furo causado pelo efeito da espessura é estudado analiticamente considerando a hipótese limite de deformação plana. A análise de placas finitas é realizada utilizando o software comercial de elementos finitos ANSYS considerando-se tensão plana para comparar soluções aproximadas para as mesmas encontradas na literatura. Por último, um estudo com base na micromecânica utilizando o modelo de Halpin-Tsai para estimar as propriedades de uma lâmina em função da fração volumétrica das fibras é apresentado para avaliar a importância da mesma na concentração de tensão. / [en] Notches and abrupt geometry variations are unavoidable in practice, but they result in stress field irregularities and are the reason for failure in majority of structural components. The aim of the present work is to study stress concentration on composite materials. To accomplish, the Stroh formalism is introduced to obtain the analytical solution of the stress distribution around the border an elliptical hole in an infinity plate subjected to general in-plane applied nominal stresses. The classical laminate theory is used to obtain equivalent properties of symmetric laminates since it could be modeled as a homogeneous plate with equivalent stiffness. Tsai-Wu, Puck and LaRC05 criteria are discussed in detail and applied for different load conditions for laminate plates with circular and elliptical holes. The multiaxial stress distribution along the hole border caused by the thickness effect is studied using the plane strain hypothesis. Finite plates are analyzed using the commercial finite element package ANSYS considering plane stress hypothesis to compare the approximation solutions available in literature. At last, a micromechanics based approach using the Halpin-Tsai model to estimate the lamina mechanical properties according to the fiber volumetric fraction is presented to evaluate its influence on stress concentration.

Ausgehend von den Erkenntnissen zu den traditionellen Lehmbaustoffen sollte untersucht werden, ob sich aus tonmineralhaltigen Rohstoffen, Faserstoffen sowie den Bindemitteln Montanwachsreststoff und Braunkohle hochwertige Formkörper und Schüttgüter herstellen lassen. Dabei hatte die Formgebung mit Hilfe von Agglomerationsprozessen ohne nachfolgende Hochtemperaturprozesse zu erfolgen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine hohe Produktqualität die Bildung stabiler formschlüssiger Bindungen zwischen den Teilchen des Faserstoffes voraussetzt. Diese lassen sich insbesondere mit sehr schlanken Fasern erzielen, für deren Aufbereitung und Modifizierung sich der Doppelschneckenextruder eignet. Die formschlüssigen Bindungen werden durch den Ton sowie die verwendeten Bindemittel stabilisiert, so dass hohe Produktfestigkeiten und teilweise gute Wasserbeständigkeiten erreicht werden. Außerdem zeichnen sich die hergestellten Produkte durch gute Bearbeitungseigenschaften aus.

Zielstellung des Forschungsprojekts ist es, halm- und stengelförmige biogene Brennstoffe so zu einer handlings- und verkaufsfähigen Form mit hoher Energiedichte aufzubereiten, die für Verbrennungsanlagen kleinerer Leistung geeignet ist und gegenüber bisher verwendeten Brennstofformen, z.B. Häcksel, eine wesentliche Verbesserung des Abbrand-, Emissions- und Ascheverhaltens erreicht wird. Ein Funktionsmuster zur kontinuierlichen Aufbereitung von hochverdichteten, abriebfesten und formstabilen Briketts ist zu erstellen. In Kopplung mit Verbrennungsuntersuchungen werden die spezifischen Anforderungen an die Briketts abgeleitet und der Verfahrensablauf für die Aufbereitung optimiert. Bei der Erstellung eines Konzeptes für ein Demonstrationsobjekt für die zukünftige Verwertung von Biomassebriketts bildet die Wirtschaftlichkeit einen besonderen Schwerpunkt. Die Arbeiten zur Entwicklung des Brikettierverfahrens zeigen, daß eine Herstellung von stabilen Briketts aus Stroh oder Heu ohne zusätzliche Bindemittel möglich ist. Mit Hilfe experimenteller Untersuchungen konnten die erforderlichen Verfahrensparameter ermittelt werden. Um dauerhaft haltbare Briketts gleichbleibender Qualität herzustellen, muß das zu verarbeitende Halmgut unzerkleinert und mit einem Feuchtegehalt von 12 bis 15 % vorliegen. In der Verformung der unzerkleinerten Halme sowohl in Längsrichtung als auch in der Ebene des Stengelquerschnitts ist die Ursache für den Bindemechanismus in den Briketts zu finden. Unter Einwirkung von Preßdrücken von 100 bis 160 MPa liegt die Dichte der hergestellten Briketts je nach Gutart, bei 0,8 bis 1,2 g/cm3. Der Abriebanteil der Briketts, ermittelt nach ASAE S.269.4, liegt bei max. 5%. Ein Funktionsmuster zur Brikettierung (Brikettpresse mit vorgeschalteter Strangformungsstufe) für 25-mm - Briketts wurde konstruiert, gebaut und getestet. Mittels Elementar-, Immediat-, Chlor- und Schwermetallanalyse wurden die Eigenschaften für zehn verschiedene biogene Brennstoffe, vorwiegend Halmgüter (Getreide- und Rapsstroh, Wiesenheu, Miscanthus) charakterisiert. Die Abbranduntersuchungen der Briketts im Vergleich zum Häcksel zeigen, daß die Reaktionsphasen der Flüchtigenverbrennung und des Restkoksabbrandes gleichzeitig ablaufen. Eine wesentliche Verlängerung der Abbrandzeit ist zu verzeichnen, die mit zunehmender Brikettgröße und -dichte noch steigt. Während der gesamten Brennzeit werden die Schadstoffe gleichmäßig freigesetzt. Durch längere Verweilzeiten der Briketts im Reaktor wird der Kohlenstoffanteil des Brennstoffs vollständiger oxidiert, was sich in den wesentlich geringeren CO-Emissionen im Vergleich zum Häcksel widerspiegelt. Im Vergleich mit der TA Luft liegen die CO- und SO2-Emissionen der Biomassebriketts durchgängig unter den Grenzwerten. Durch eine luftgestufte Verfahrensführung (60% Primärluft, 40% Sekundärluft) ist es möglich, die NOx-Werte ebenfalls unter den Grenzwert der TA Luft abzusenken. Fallstudien zu möglichen Demonstrationsvorhaben belegen, daß eine wirtschaftliche Lösung für das Brikettieren in Verbindung mit einer energetischen Nutzung in kleinen Anlagen erreichbar ist. Die Leistung der Brikettieranlage bestimmt deutlich deren Wirtschaftlichkeit. Dabei muß eine Tagesproduktion von 8 bis 10 t erreicht werden (250 Betriebstage im Jahr). Gegenüber dem Funktionsmuster muß jedoch eine Vergrößerung des Brikettdurchmessers erfolgen.

Ziel der Broschüre ist es, über die Möglichkeiten einer nachhaltigen Nutzung von Stroh in Deutschland zu informieren und ein Stimmungsbild von verschiedenen Akteuren zu einer zukünftigen Nutzung zu präsentieren. Dafür wurden über 50 Personen aus Landwirtschaft, Industrie, Politik und Wissenschaft befragt. Die Ergebnisse können eine bessere Erschließung der Ressource unterstützen.

Im Rahmen dieser Abschlussarbeit „Strohballenbau-Vergleich dreier Bauvorhaben unter konstruktiven, ausführungstechnischen und bauphysikalischen Aspekten“ werden alle für den Strohballenbau relevanten Detailpunkte der drei Bauvorhaben beschrieben, verglichen und bewertet. Weiterhin wird das Gesamtsystem der Bauvorhaben bauteilübergreifend analysiert. Dabei wird vorrangig auf bauphysikalische, baubiologische, bautechnologische und ausführungstechnische Aspekte eingegangen. Im Verlauf der Arbeit wird auf Besonderheiten hingewiesen, die in der Planungsphase berücksichtig werden müssen, um die Funktionsfähigkeit eines Strohballenhauses sicher zu stellen. Baupraktische Erfahrungen des Autors im Rahmen des dritten Bauvorhabens bilden die Grundlage dieser Arbeit.:Kurzfassung II Abstract II Inhaltsverzeichnis III Abbildungsverzeichnis 1 Tabellenverzeichnis 2 Formelzeichen und Abkürzungen 2 Vorwort 3 1 Einleitung Motivation 4 1.1 Kontextuelle Einordnung des Strohballenbaus 4 1.2 Ziel und Zweck der Arbeit 5 2 Strohballenbauten 5 2.1 Überblick 5 2.1.1 Prinzip Strohballenbau 5 2.1.2 Idee 5 2.1.3 Herausforderungen 6 2.2 Stand der Technik 7 2.3 Ableitung des Ansatzes 7 2.3.1 Bauphilosophie der drei Bauvorhaben 8 2.3.2 Beschreibung der drei Bauvorhaben 10 2.3.3 Eigenleistung 12 3. Vergleich einzelner Konstruktionsdetails der drei Bauvorhaben 14 3.1 Fundament 14 3.2 Sockelbereich 17 3.3 Wandaufbau 23 3.3.1 Holzkonstruktion 23 3.3.2 Strohballenausrichtung 27 3.3.3 Gefachbreiten 28 3.3.4 Dreikantleisten 30 3.4 Baustroh 32 3.4.1 Eigenschaften der Strohballen 32 3.4.2 Kubatur der Strohballen 33 3.4.3 Strohballenvorbereitung 34 3.4.4 Strohballeneinbau 35 3.4.5 Verpressen 36 3.4.6. Verpresstechniken 39 3.4.6.1 Umreifungstechnik 39 3.4.6.2 Kettenzugtechnik 41 3.4.7 Nacharbeiten 43 3.5 Lehm 45 3.6 Wandecken 48 3.7 Fensteranschluss 49 3.8 Befestigungstechnik 53 3.9 Fußbodenaufbau 53 3.10 Leitungsführung 54 3.11 Innenwände 55 3.12 Deckenanschluss 56 3.13 Giebeldreieck 58 3.14 Dach 58 4. Bauteilübergreifende Betrachtung 61 4.1 Wärmeschutz 61 4.1.1 Energieausweis 61 4.1.2 Luftdichtigkeit 62 4.1.3 Sommerlicher Wärmeschutz 66 4.2 Feuchteschutz 68 4.3 Schallschutz 71 4.4 Brandschutz 71 4.5 Baubiologie 72 4.6 Statik 75 4.7 Bautechnologie 77 4.7.1 Maschineneinsatz 77 4.7.2 Materialbeschaffung 79 4.7.3 Lagerung 79 4.8 Bauablaufplan 80 4.9 Eigenleistung 82 4.10 Kosten 84 5 Zusammenfassung und Ausblick 86 5.1 Zielstellung der Arbeit 86 5.2 Ergebnisse der Arbeit 86 5.3 Ausblick 88 Anhang A Berechnungen 89 Anhang B Zeichnungen 117 Glossar 127 Literaturverzeichnis 129 Bildquellenverzeichnis 133 Eidesstattliche Versicherung 137

Zielstellung des Forschungsprojekts ist es, halm- und stengelförmige biogene Brennstoffe so zu einer handlings- und verkaufsfähigen Form mit hoher Energiedichte aufzubereiten, die für Verbrennungsanlagen kleinerer Leistung geeignet ist und gegenüber bisher verwendeten Brennstofformen, z.B. Häcksel, eine wesentliche Verbesserung des Abbrand-, Emissions- und Ascheverhaltens erreicht wird. Ein Funktionsmuster zur kontinuierlichen Aufbereitung von hochverdichteten, abriebfesten und formstabilen Briketts ist zu erstellen. In Kopplung mit Verbrennungsuntersuchungen werden die spezifischen Anforderungen an die Briketts abgeleitet und der Verfahrensablauf für die Aufbereitung optimiert. Bei der Erstellung eines Konzeptes für ein Demonstrationsobjekt für die zukünftige Verwertung von Biomassebriketts bildet die Wirtschaftlichkeit einen besonderen Schwerpunkt. Die Arbeiten zur Entwicklung des Brikettierverfahrens zeigen, daß eine Herstellung von stabilen Briketts aus Stroh oder Heu ohne zusätzliche Bindemittel möglich ist. Mit Hilfe experimenteller Untersuchungen konnten die erforderlichen Verfahrensparameter ermittelt werden. Um dauerhaft haltbare Briketts gleichbleibender Qualität herzustellen, muß das zu verarbeitende Halmgut unzerkleinert und mit einem Feuchtegehalt von 12 bis 15 % vorliegen. In der Verformung der unzerkleinerten Halme sowohl in Längsrichtung als auch in der Ebene des Stengelquerschnitts ist die Ursache für den Bindemechanismus in den Briketts zu finden. Unter Einwirkung von Preßdrücken von 100 bis 160 MPa liegt die Dichte der hergestellten Briketts je nach Gutart, bei 0,8 bis 1,2 g/cm3. Der Abriebanteil der Briketts, ermittelt nach ASAE S.269.4, liegt bei max. 5%. Ein Funktionsmuster zur Brikettierung (Brikettpresse mit vorgeschalteter Strangformungsstufe) für 25-mm - Briketts wurde konstruiert, gebaut und getestet. Mittels Elementar-, Immediat-, Chlor- und Schwermetallanalyse wurden die Eigenschaften für zehn verschiedene biogene Brennstoffe, vorwiegend Halmgüter (Getreide- und Rapsstroh, Wiesenheu, Miscanthus) charakterisiert. Die Abbranduntersuchungen der Briketts im Vergleich zum Häcksel zeigen, daß die Reaktionsphasen der Flüchtigenverbrennung und des Restkoksabbrandes gleichzeitig ablaufen. Eine wesentliche Verlängerung der Abbrandzeit ist zu verzeichnen, die mit zunehmender Brikettgröße und -dichte noch steigt. Während der gesamten Brennzeit werden die Schadstoffe gleichmäßig freigesetzt. Durch längere Verweilzeiten der Briketts im Reaktor wird der Kohlenstoffanteil des Brennstoffs vollständiger oxidiert, was sich in den wesentlich geringeren CO-Emissionen im Vergleich zum Häcksel widerspiegelt. Im Vergleich mit der TA Luft liegen die CO- und SO2-Emissionen der Biomassebriketts durchgängig unter den Grenzwerten. Durch eine luftgestufte Verfahrensführung (60% Primärluft, 40% Sekundärluft) ist es möglich, die NOx-Werte ebenfalls unter den Grenzwert der TA Luft abzusenken. Fallstudien zu möglichen Demonstrationsvorhaben belegen, daß eine wirtschaftliche Lösung für das Brikettieren in Verbindung mit einer energetischen Nutzung in kleinen Anlagen erreichbar ist. Die Leistung der Brikettieranlage bestimmt deutlich deren Wirtschaftlichkeit. Dabei muß eine Tagesproduktion von 8 bis 10 t erreicht werden (250 Betriebstage im Jahr). Gegenüber dem Funktionsmuster muß jedoch eine Vergrößerung des Brikettdurchmessers erfolgen.

Ausgehend von den Erkenntnissen zu den traditionellen Lehmbaustoffen sollte untersucht werden, ob sich aus tonmineralhaltigen Rohstoffen, Faserstoffen sowie den Bindemitteln Montanwachsreststoff und Braunkohle hochwertige Formkörper und Schüttgüter herstellen lassen. Dabei hatte die Formgebung mit Hilfe von Agglomerationsprozessen ohne nachfolgende Hochtemperaturprozesse zu erfolgen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine hohe Produktqualität die Bildung stabiler formschlüssiger Bindungen zwischen den Teilchen des Faserstoffes voraussetzt. Diese lassen sich insbesondere mit sehr schlanken Fasern erzielen, für deren Aufbereitung und Modifizierung sich der Doppelschneckenextruder eignet. Die formschlüssigen Bindungen werden durch den Ton sowie die verwendeten Bindemittel stabilisiert, so dass hohe Produktfestigkeiten und teilweise gute Wasserbeständigkeiten erreicht werden. Außerdem zeichnen sich die hergestellten Produkte durch gute Bearbeitungseigenschaften aus.