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This study permits a reliability analysis to solve the mechanical behaviour issues existing in the current structural design of fabric structures. Purely predictive material models are highly desirable to facilitate an optimized design scheme and to significantly reduce time and cost at the design stage, such as experimental characterization. The present study examined the role of three major tasks; a) single-objective optimization, b) sensitivity analyses and c) multi-objective optimization on proposed weave structures for woven fabric composites. For single-objective optimization task, the first goal is to optimize the elastic properties of proposed complex weave structure under unit cells basis based on periodic boundary conditions. We predict the geometric characteristics towards skewness of woven fabric composites via Evolutionary Algorithm (EA) and a parametric study. We also demonstrate the effect of complex weave structures on the fray tendency in woven fabric composites via tightness evaluation. We utilize a procedure which does not require a numerical averaging process for evaluating the elastic properties of woven fabric composites. The fray tendency and skewness of woven fabrics depends upon the behaviour of the floats which is related to the factor of weave. Results of this study may suggest a broader view for further research into the effects of complex weave structures or may provide an alternative to the fray and skewness problems of current weave structure in woven fabric composites. A comprehensive study is developed on the complex weave structure model which adopts the dry woven fabric of the most potential pattern in singleobjective optimization incorporating the uncertainties parameters of woven fabric composites. The comprehensive study covers the regression-based and variance-based sensitivity analyses. The second task goal is to introduce the fabric uncertainties parameters and elaborate how they can be incorporated into finite element models on macroscopic material parameters such as elastic modulus and shear modulus of dry woven fabric subjected to uni-axial and biaxial deformations. Significant correlations in the study, would indicate the need for a thorough investigation of woven fabric composites under uncertainties parameters. The study describes here could serve as an alternative to identify effective material properties without prolonged time consumption and expensive experimental tests. The last part focuses on a hierarchical stochastic multi-scale optimization approach (fine-scale and coarse-scale optimizations) under geometrical uncertainties parameters for hybrid composites considering complex weave structure. The fine-scale optimization is to determine the best lamina pattern that maximizes its macroscopic elastic properties, conducted by EA under the following uncertain mesoscopic parameters: yarn spacing, yarn height, yarn width and misalignment of yarn angle. The coarse-scale optimization has been carried out to optimize the stacking sequences of symmetric hybrid laminated composite plate with uncertain mesoscopic parameters by employing the Ant Colony Algorithm (ACO). The objective functions of the coarse-scale optimization are to minimize the cost (C) and weight (W) of the hybrid laminated composite plate considering the fundamental frequency and the buckling load factor as the design constraints. Based on the uncertainty criteria of the design parameters, the appropriate variation required for the structural design standards can be evaluated using the reliability tool, and then an optimized design decision in consideration of cost can be subsequently determined.

Die Entwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise hat gezeigt, dass hybride Holzverbundbauweisen eine sehr effiziente Lösung zur Steigerung der Tragfähigkeit und Steifigkeit von biegebeanspruchten Holzbauteilen darstellen. Bei solchen Holzverbundbauteilen stellt insbesondere die effiziente Gestaltung der Schubkraftübertragung in der Verbundfuge zwischen den Baustoffschichten einen gewissen Schwachpunkt dar. Weiterhin limitieren insbesondere auch die streuenden Festigkeiten sowie wuchs- bzw. fertigungsbedingte Eigenschaften des in der Zugzone angeordneten Holzes die Leistungsfähigkeit solcher hybrider Verbundbauteile merklich. Eine innovative Lösung für diese Problemkreise konnte in der Herstellung von hybriden Verbundkonstruktionen aus Reaktionsharzbeton, faserverstärkten Kunststoffen und der bestehenden Holzkonstruktion gefunden werden. Dabei kommt in der Biegedruckzone ein Hochleistungs-Polymerbeton zum Einsatz. Die Zugzone wird mittels ein- bzw. aufgeklebter Faserverbundwerkstoffe verstärkt und strukturell bedingte Grenzen überwunden. Faserverbundwerkstoffe sind im Vergleich mit homogenen Werkstoffen durch eine strukturelle Anisotropie gekennzeichnet. Zur rechnerischen Beschreibung des Trag- und Bruchverhaltens benötigt man eine schichtenweise Spannungsanalyse, Bruchkriterien für die einzelnen Schichten und Degradationsmodelle zum Erfassen der Auswirkung von Teilbrüchen, die noch nicht zum Bruch oder Ablösen des Laminats führen. Dabei bieten bruchtypbezogene Versagenskriterien wesentliche Vorteile gegenüber Pauschal¬kriterien, da die vorherrschenden Bruchmodi mithilfe ein¬zelner Bruch¬bedingungen unabhängig voneinander beschrieben werden können. Zur Analyse des Verbundverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen und Holz wurde deshalb das vereinfachte Puck-Knaust-Kriterium für die Versagensanalyse in ANSYS(R) implementiert. Für die numerische Untersuchung der Verbundträger wurde ein Strukturmodell für Kunstharzbetone im Verbund mit Holz entwickelt, mit dem sich Steifigkeit und Kriechverhalten beliebiger Mischungsverhältnisse abschätzen lassen. Beim Vergleich der Ergebnisse zeigt sich, dass die relativen Kriechverformungen bei den verstärkten Balkenserien um das 1,8- bis 2,5fache größer sind als bei der unverstärkten Serie, was in der Materialspezifik des eingesetzten Polymerbetons begründet liegt. Die Kriech¬verformung steigt dabei mit zunehmendem Verhältnis von Polymerbetonstärke zum Holzgrundquerschnitt und kann mit der angegebenen Gleichung für beliebige Querschnittsverhältnisse ermittelt werden. Im Vergleich der Durchbiegung der Serien bei gleicher Belastung wird deutlich, dass die Steifigkeitsvorteile der verstärkten Balken durch die größere Kriechneigung ganz oder teilweise aufgebraucht werden. Besonders betrifft das die Serien, bei denen die obere Holzschicht mit PC substituiert wurde. Dort wird aus einem anfänglichen Vorteil sogar ein Nachteil. In der numerischen Simulation von hybriden Verbundträgern aus faser¬verstärkten Kunststoffen, Kunstharzbeton und Holz bestätigte sich der eindeutige Vorteil einer zusätzlich aufgebrachten Polymerbetonschicht. Der Beitrag der FVK-Verstärkung am Gesamtsystem fällt im Gegensatz zur PC-Deckschicht jedoch wesentlich geringer aus, da deren Potential erst bei größeren Belastungen voll aktiviert wird. In Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Anwendertauglichkeit insgesamt stellt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Kunstharzbetonen eine wirkliche und praxistaugliche Alternative gegenüber herkömmlichen Baustoffen zur Tragwerksverstärkung dar.

Kein anderes Material hat im 19. Jahrhundert das Design und die Architektur beeinflußt, wie die Kunststoffe. Das Feld der Realisationen und der Projekte des gesamten Kunststoffbaus ist dabei aufgrund der unterschiedlichen Kunststoffarten und somit Ausführungen sehr weitläufig. Daher begrenzt sich diese Untersuchung auf die glasfaserverstärkten Kunststoffe (GFK). Die Glasfasern übertragen die auftretenden Kräfte und werden durch das sie umschließende Harz gebunden. Die GFK sind daher bestens für tragende Bauteile geeignet. Die glasfaserverstärkten Kunststoffe durchliefen in den 1940er bis 1970er Jahren eine für einen Baustoff kurze aber sehr ergiebige Pionierphase. Die umfassende Analyse der drei zu unterscheidenden Perioden setzt sich aus der Untersuchung der wirtschaftlichen, politischen, gesellschaftlichen und kulturellen Beeinflussungen zusammen. Circa 260 unterschiedliche Projekte wurden weltweit aus selbsttragenden / tragenden GFK-Bauteilen realisiert. Diese sind ausführlich innerhalb des Kataloges im Anhang aufgelistet. GFK-Bauten waren nicht allein aufgrund des neuen Materials modern, sondern auch aufgrund ihrer freien Formbarkeit, transluzenten Flächen und auffälligen Farben und den flexiblen Nutzungskonzepten entsprechend einer modernen demokratischen Gesellschaft, die aufgeschlossen und optimistisch der Zukunft gegenübersteht. Die Realisationen, die zum Teil bis heute noch genutzt werden, beweisen den hohen Wissensstand der Pioniere. Die von den Pionieren gesuchte GFK-Architektur war eine sehr vielfältige, die sich nicht auf wenige Formenmerkmale zusammenfassen läßt. Das neue Material ermöglichte es den Architekten, ihre Vorstellungen und Träume von Formen, Gehäusen und Bauten zu realisieren. Die Analyse der Vorgänger und der Inspirationsquellen diese Formenvielfalt sind Grundlage einer objektiven Beurteilung dieser Bauten. Architekten und Bauingenieure suchten ideale Einsatzgebiete und Konstruktionsvarianten für den bis dahin assoziationsfreien Baustoff. Die Nutzungskonzepte: Wohnhaus, Zweithaus, Ausstellung, Spielgerät und die Entwicklung von Gebäudeteilen: Gebäudehülle, Überdachung, Fassade werden im Gesamtzusammenhang und nach der optimalen Verwendbarkeit untersucht. Das Wissen über den Verlauf der Pionierphase der GFK, die damals formulierten Gründe für und wider deren Einsatz und der entwickelten Konstruktionen, Verbindungstechniken und Tragwerke kann einem erneuten Einsatz des Baumateriales nur dienlich sein. Anliegen dieser Dissertation ist es, die GFK als einsatzfähige Werkstoffe innerhalb der Architekturlandschaft wieder einen Platz zu geben. Diese Analyse soll verschüttetes Wissen aufdecken, die in den 1970er Jahren entstandenen Vorurteile sichtbar machen und die glasfaserverstärkten Kunststoffe als das darstellen, was sie sind, leistungsfähige Baustoffe für gekrümmte und gefaltete Konstruktionen.