Die Konstruktionsweise ReFlexRoof stellt die konsequente Weiterentwicklung der Zollingerbauweise dar. Im Forschungsprojekt TimberPlan+ wird eine vollständig parametrisierte Planungsmethodik entwickelt, welche den Einsatz von Brettrippendächern in Holzbauweise (erneut) zu einer echten Alternative im Industrie- und Hallenbau macht. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Fragestellung des Ressourcen- und Materialverbrauchs dieser Konstruktionsweise im Vergleich zu derzeit gebräuchlichen Ausführungsvarianten in Brettschichtholzbinder-Bauweise. Die Beantwortung dieser Fragestellung erfolgt anhand der Bemessung verschiedener Vergleichsvarianten unter gleichen Rahmenbedingungen. Dazu werden zunächst die historischen Hintergründe der Zollbauweise aufgearbeitet, um anschließend mögliche Verbesserungen durch das ReFlexRoof aufzuzeigen. Außerdem werden die Grundzüge und Eigenschaften der gewählten Konstruktionsweisen vorgestellt. Zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit werden allgemeine Rahmenbedingungen formuliert. Diese bilden die Grundlage für jeweils sechs Tragwerksbemessungen pro Konstruktionsvariante und ermöglichen im Anschluss eine vergleichende Auswertung aller Ergebnisse. Die Kriterien sind so gewählt, dass ein großes Einsatzspektrum entsprechender Hallendachkonstruktionen abgedeckt wird und Aussagen hinsichtlich des Netto- und Brutto-Materialbedarfs in Abhängigkeit von der Bauwerksabmessung getroffen werden können. Es kann gezeigt werden, dass das ReFlexRoof - besonders in Kombination mit geringen Dachauflasten - deutliche Materialeinsparungen gegenüber der betrachteten Alternative in BSH-Bauweise ermöglicht. Bei Konstruktionen, die große Spannweiten in Kombination mit schweren Dachaufbauten erfordern, deuten die Ergebnisse auf geometrisch bedingte Nachteile einer tonnenförmigen Dachgeometrie hin. Die Auswertung der angefertigten Tragwerksbemessungen ermöglicht die Formulierung verschiedener Ansätze zur Verbesserung der Materialeffizienz und eine kritische Auseinandersetzung mit der zugrunde liegenden Berechnung.:1. Einleitung und Motivation 2. Holz als Werkstoff im Hallenbau 2.1. Anforderungen im Hallenbau 2.2. Historischer Kontext 2.2.1. Historischer Hintergrund der Zollbauweise 2.2.2. Entwicklung von Brettschichtholz 2.3. Stand der Technik 2.3.1. Regelwerke 2.3.2. Brettschichtholzbinder-Bauweise 2.3.3. Vorstellung: ReFlexRoof 3. Variantenvergleich 3.1. Zielstellung 3.2. Vergleichsgrößen 3.2.1. Netto-Materialbedarf 3.2.2. Brutto-Materialbedarf 3.3. Maßnahmen zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit 3.3.1. Geometrische Festlegungen 3.3.2. Wind- und Schneelasten 3.3.3. Ausführungsvarianten der Dachkonstruktion 3.3.4. Materialauswahl 3.4. Einführung der Variantenmatrix 3.5. Bemessung der Brettschichtholzbinder-Varianten 3.5.1. Tragwerkskonzeption 3.5.2. Hauptträger 3.5.3. Nebenträger 3.5.4. Dachschalung 3.6. Bemessung der ReFlexRoof -Varianten 3.6.1. Tragwerkskonzeption 3.6.2. Besonderheiten bei der Bemessung 4. Auswertung und Darstellung der Ergebnisse 4.1. Methodik 4.1.1. Ergebnisauswertung Brettschichtholzbinder 4.1.2. Ergebnisauswertung ReFlexRoof 4.2. Vorstellung der Ergebnisse 4.2.1. Spannweite 12,0 m 4.2.2. Spannweite 18,0 m 4.2.3. Spannweite 27,0 m 4.2.4. Gesamtauswertung für alle Spannweiten 5. Fazit und Ausblick 5.1. Zusammenfassung der Ergebnisse 5.2. Fazit 5.3. Forschungsausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis A. Anhang A.1. Darstellung der Ergebnisse für BSH-Varianten A.2. Darstellung der Ergebnisse für ReFlexRoof -Varianten A.3. Statische Berechnung B-18-V02 - Kurzfassung / The construction method ReFlexRoof represents the further development of the Zollinger construction method. The research project TimberPlan+ focusses on implementation of a fully parameterized planning methodology that will (once again) make the use of lamellaroofs a real alternative in industrial timber construction. The present work is dedicated to the question of resource and material consumption of this construction method in comparison to commonly used design variants centred around the use of large format glulam trusses. The answer to this question is provided by the design of various comparative variants under the same general conditions. The historical background of the Zollinger construction method is reviewed in order to show which improvements are made possible by the ReFlexRoof. Subsequently, the basic features and properties of the chosen design methods are presented. General framework conditions are formulated to ensure comparability. These form the basis for six structural analyses per design variant and subsequently enable a comparative evaluation of all results. The criteria are chosen to cover a wide range of applications of corresponding hall roof structures and to allow conclusions with regard to the net and gross material requirements, depending on the dimensions of the structure. It can be shown that the ReFlexRoof, in combination with a lightweight roof design, allows significant material savings compared to the reviewed glulam alternative. Structures that require large spans in combination with heavy roofing, the results indicate geometrically induced disadvantages of the barrel-shaped roof geometry. The evaluation of the structural designs points to different approaches to improve material efficiency and enables a critical examination of the underlying calculation.:1. Einleitung und Motivation 2. Holz als Werkstoff im Hallenbau 2.1. Anforderungen im Hallenbau 2.2. Historischer Kontext 2.2.1. Historischer Hintergrund der Zollbauweise 2.2.2. Entwicklung von Brettschichtholz 2.3. Stand der Technik 2.3.1. Regelwerke 2.3.2. Brettschichtholzbinder-Bauweise 2.3.3. Vorstellung: ReFlexRoof 3. Variantenvergleich 3.1. Zielstellung 3.2. Vergleichsgrößen 3.2.1. Netto-Materialbedarf 3.2.2. Brutto-Materialbedarf 3.3. Maßnahmen zur Sicherstellung der Vergleichbarkeit 3.3.1. Geometrische Festlegungen 3.3.2. Wind- und Schneelasten 3.3.3. Ausführungsvarianten der Dachkonstruktion 3.3.4. Materialauswahl 3.4. Einführung der Variantenmatrix 3.5. Bemessung der Brettschichtholzbinder-Varianten 3.5.1. Tragwerkskonzeption 3.5.2. Hauptträger 3.5.3. Nebenträger 3.5.4. Dachschalung 3.6. Bemessung der ReFlexRoof -Varianten 3.6.1. Tragwerkskonzeption 3.6.2. Besonderheiten bei der Bemessung 4. Auswertung und Darstellung der Ergebnisse 4.1. Methodik 4.1.1. Ergebnisauswertung Brettschichtholzbinder 4.1.2. Ergebnisauswertung ReFlexRoof 4.2. Vorstellung der Ergebnisse 4.2.1. Spannweite 12,0 m 4.2.2. Spannweite 18,0 m 4.2.3. Spannweite 27,0 m 4.2.4. Gesamtauswertung für alle Spannweiten 5. Fazit und Ausblick 5.1. Zusammenfassung der Ergebnisse 5.2. Fazit 5.3. Forschungsausblick Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis A. Anhang A.1. Darstellung der Ergebnisse für BSH-Varianten A.2. Darstellung der Ergebnisse für ReFlexRoof -Varianten A.3. Statische Berechnung B-18-V02 - Kurzfassung

Circular Economy (CE) aims at improving the resource efficiency of our society and decoupling economic growth from resource use. However, entropy and residues are still generated in CE, and resources such as energy, raw materials and water are used throughout the CE processes. The methodology developed in this thesis aims at evaluating and communicating the resource efficiency and environmental impacts of CE systems. Firstly, a digital twin of the system is created using process simulation to obtain detailed mass and energy balances. Then, a set of indicators is obtained for the evaluation of the material recoveries, residues and emissions generated, resource use and environmental impacts (LCA). Exergy indicators such as exergy dissipation and cost are also obtained from the simulation using a dedicated tool developed and implemented within this thesis. This methodology has been applied in three case studies within metallurgy and CE to evaluate, optimize and communicate their resource efficiency and environmental impacts. These case studies are the evaluation of the copper value chain, the comparison between different zinc production routes and the industrial symbiosis between the copper, zinc and cement value chains.

Anhand der CORINE-Daten 1990, 2000 und 2006 werden raumstrukturelle Eigenschaften der Flächennutzungsänderungen von 100 europäischen Großstädten untersucht. Die Städte werden so ausgewählt, dass ein repräsentativer Überblick über die europäischen Verhältnisse möglich ist. Wir quantifizieren, vergleichen und diskutieren die Veränderungen der Siedlungs- und Verkehrsflächen (SuV) in den Zeiträumen von 1990 über 2000 bis 2006 und für die drei Zeitpunkte die physische Kompaktheit, die Nutzungsmischung sowie die Entfernung der Siedlungs- und Verkehrsflächen zum Stadtzentrum. Insbesondere soll dabei auf den Zerklüftungsgrad der SuV als ein Maß für die Kompaktheit und den Vernetzungsgrad zur Charakterisierung der horizontalen räumlichen Verflechtung zwischen den Funktionen Wohnen und Arbeiten innerhalb von Siedlungsstrukturen fokussiert werden. Diese Indikatoren messen Teilaspekte der Ressourceneffizienz von Städten. Die Untersuchung erfolgt jeweils für die Stadtregion (geometrischer Kreis mit Mittelpunkt im Stadtzentrum und Radius von 20 km). Unterschiede in Quantität und Struktur der Flächennutzung der Stadtregionen werden diskutiert.

Kreislaufwirtschaft ist ein Konzept, um den Rohstoff- und Ressourcenverbrauch wirksam zu reduzieren. Hierbei sollen bestehende Produkte und Ressourcen so lange wie möglich in wertschöpfenden Kreisläufen gehalten werden. Im Rahmen der Repurpose (Wiederverwendung) Strategie werden Bauteile und Ressourcen von ausrangierten Produkten in neue Produkte mit anderer Funktion wiederverwendet. Hierzu müssen Rohlinge für neue Produkte in Sekundärrohstoffen angeordnet und herausgetrennt werden. Bedingt durch den nicht standardisierten Zustand von Sekundärrohstoffen, wird ein intelligentes Nesting Verfahren eingesetzt, die Ressourceneffizienz zu verbessern. Der Einsatz von intelligentem Nesting im Rahmen der Kreislaufwirtschaft zeigt, dass der Einsatz von Sekundärrohstoffen gesteigert und die benötigte Energie für die nachfolgenden Fertigungsverfahren eingespart werden kann.

Demografische Veränderungen, ein sich wandelnder Arbeitsmarkt und konjunkturelle Schwankungen mit unterschiedlich dominierenden Gewerbezweigen erfordern Gebäude, die sich an verändernde Nutzeranforderungen anpassen können. Zur Erhöhung der Ressourceneffizienz sind Gebäude nicht nur hinsichtlich des Materialeinsatzes und Energieverbrauchs zu optimieren, sondern darüber hinaus für einen langen Nutzungshorizont auszulegen. Um die Anpassungsfähigkeit von Geschossbauten an verschiedene Nutzungsformen bewerten zu können, wurde im Rahmen des Innovationsprogramms „Zukunft Bau“ das Forschungsprojekt „Adaptive Gebäudestrukturen zur Erhöhung der Ressourceneffizienz von Geschossbauten im städtischen Raum“ durchgeführt. Im folgenden Beitrag werden die Motivation zum Forschungsprojekt, eine Übersicht zu wesentlichen Fragestellungen und die Ergebnisse in einer zusammenfassenden Darstellung vorgestellt. / Demographic changes, a transforming labour market and economic volatility with different dominant industries require buildings that can adapt to changing user requirements. In order to increase resource efficiency, buildings must not only be optimised in terms of material use and energy consumption, but also designed for a long horizon of use. In order to be able to evaluate the adaptability of multi-storey buildings to different forms of use, the research project “Adaptive building structures to increase the resource efficiency of multi-storey buildings in urban areas” was carried out within the framework of the „Zukunft Bau“ research initiative. In the following article, the motivation for the research project, an overview of the main aspects and the results are presented in a summarising form.

Grüne Werbebotschaften gibt es bereits zu Hauf – auch in der Beleuchtungsbranche. Nach aktiver Beteiligung an Forschungsprojekten zur Nachhaltigkeit von LED-Beleuchtung ist uns eines klargeworden: Wir brauchen immer noch mehr Leute, die die richtigen Fragen stellen, und weniger solche, die ihre Meinungen als die ultimativen Lösungen verkaufen.

Metall- und Maschinenbauunternehmen müssen im Durchschnitt pro Jahr ca. zwei Prozent ihres Umsatzes für Strom und Erdgas ausgeben und die Unternehmer gehen von weiteren Preissteigerungen aus. Damit rückt das Thema Energieeinsparung stärker denn je in den Fokus und wird zu einem strategischen Faktor. Um Kosten zu sparen und Wettbewerbsvorteile zu sichern, ist es notwendig, zielgenaue Energieeinsparmaßnahmen einzuleiten. Die ersten Maßnahmen, welche die meisten Maschinenbauunternehmen umsetzen, sind die Erneuerung der Beleuchtungs-, Heizungs- und Lüftungsanlage, die Verbesserung der Drucklufterzeugung sowie die thematische Sensibilisierung der Mitarbeiter. Aber auch in Maschinen mit ihren dazugehörigen elektrischen Antrieben, Lüftern und Aggregaten verbirgt sich eine große Menge an Optimierungspotenzial. Allerdings ist es hier notwendig nicht die Verbraucher im Einzelnen, sondern die Maschine und deren Prozesse im Ganzen zu betrachten. Meist fehlen hierfür aber geeignete Schnittstellen, um die Messwerte von Sensoren (bspw. Temperatur-, Drucksensoren, etc.) und Antrieben auslesen zu können, was dazu führt, dass diese Potenziale nicht ausgeschöpft werden.

The average metal and mechanical engineering company must spend around two per cent of its annual turnover on electricity and natural gas, and companies are expecting further price increases. As a result, the issue of energy saving is becoming more of a strategic factor than ever before. In order to save costs and ensure competitive advantages, it is necessary to introduce precise energy-saving measures. The first steps taken by most mechanical engineering companies are to replace lighting, heating, and ventilation systems, improve compressed air generation and raise employee awareness. However, there is also a great potential for optimization in machines with their individual electrical drives, fans, and units. In this case, though, it is necessary to look at the machine and its processes as a whole rather than the individual electrical energy consumers. In most cases, however, there is a lack of suitable interfaces for analyzing the measured values from sensors (e.g. temperature, pressure sensors, etc.) and drives, which concludes that this potential is not fully exploited.

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.

Die Verbesserung der Energie- und Ressourceneffizienz stellt eine zentrale Aufgabe für die Produktionstechnik dar. Inkrementelle Verfahren wie das Drückwalzen weisen bereits aufgrund ihres Prozessprinzips ein hohes Potenzial zur Ressourceneffizienz auf. Allerdings besitzen diese Verfahren eine Vielzahl von Einflussfaktoren auf das Prozessergebnis, die zudem in Wechselwirkung zueinander stehen. Die Folge schwankender Prozesseinflussgrößen (z. B. Chargenschwankungen oder variierende Halbzeuggeometrie) ist häufig Bauteilausschuss, der sich aufgrund der meist kleinen bis mittleren Losgrößen stärker auf die Produktivität auswirkt. Die Weiterentwicklung von gesteuerten zu selbstgeregelten Umformprozessen mit Prozessrückkopplung bietet ein großes Potential zur Verbesserung der Ressourceneffizienz. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Grundlagen und Vorgehensweise zur Realisierung des selbstregelnden Drückwalzens erarbeitet. Nach der Analyse und Bewertung von Störungen auf die Prozesseinflussgrößen erfolgt die Definition eines Referenzzustandes und von Störszenarien. Auf Basis experimenteller Untersuchungen wird der Referenzzustand analysiert und ein digitaler Zwilling des Drückwalzprozesses entwickelt. Mit dessen Hilfe erfolgt die Bewertung der Störszenarien. Anschließend wird ein methodisches Vorgehen vorgestellt, mit dem das selbstregelnde Drückwalzen beliebiger Zielgrößen entwickelt werden kann. Im digitalen Zwilling werden zusätzlich ein virtueller Sensor, der Regelalgorithmus und die Aktordynamik integriert und damit die Selbstregelung für eine Prozessgröße und ein Prozessergebnis ausgelegt und untersucht. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde das selbstregelnde Drückwalzen erstmals erfolgreich experimentell umgesetzt. Die in der Arbeit vorgestellten Ergebnisse zeigen eine signifikante Reduzierung des Einflusses von Prozessstörungen auf das Prozessergebnis durch die Selbstregelung. / Improving energy and resource efficiency is also a key challenge for production technology. Incremental processes such as flow-forming already have a high potential for resource efficiency due to their process principle. Flow-forming has a large number of influencing process parameters that also interact with each other. Fluctuating process parameters (e.g. batch fluctuations or varying semi-finished product geometry) can result in component scrap, which has a major influence on productivity due to the mostly small to medium batch sizes. The further development of controlled to self-controlled forming processes with process feed-back offers great potential for improving resource efficiency. In this thesis, the basics and the procedure for the realization of self-controlled flow-forming are developed. After the analysis and evaluation of disturbances on the process influencing variables, a reference state and disturbance scenarios are defined. The reference state is analyzed on the basis of experimental investigations and a digital twin of the flow-forming process is developed. This is used to evaluate the disturbance scenarios. Subsequently, a methodical procedure is presented to develop self-controlled flow-forming of any process parameter or process result. A virtual sensor, the control algorithm and the actuator dynamics are also integrated into the digital twin to design and investigate the self-control for a process parameter and a process result. Based on the knowledge gained, self-controlled flow-forming was successfully implemented experimentally for the first time. The results show a significant reduction of the influence of process disturbances on the process results.