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Experimental analysis of the evolution of fabric in granular soils upon monotonic loading and load reversals

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[Quelle: https://www.qucosa.de]

Der Großteil der Stoffmodelle, die heutzutage zur Beschreibung des Verhaltens von granularen Materialien wie Sanden verwendet werden, sind Modelle im Kontinuum, die auf phänomenologischen Ansätzen basieren. Diese Stoffmodelle nutzen oft phänomenologische Zustandsvariablen (z.B. die intergranulare Dehnung in der Hypoplastizität), um Phänomene, die auf makroskopischer Ebene beobachtet werden können, wie z.B. ein abrupter Wechsel der Steifigkeit bei Lastumkehr, zu beschreiben. Der Großteil dieser Zustandsvariablen ist aus theoretischen Konzepten hervorgegangen, die bisher noch nicht auf experimentelle Grundlagen gestellt werden konnten. Die Mechanismen, die das makroskopische Verhalten und die Phänomene auf dieser Ebene kontrollieren, müssen auf der Kornskala gesucht werden, da die Interaktionen von individuellen Körnern die Schlüsselrolle spielen. Um die Struktur von Granulaten auf dieser Skala beschreiben zu können, kommt die Röntgen Computertomographie in dieser Arbeit zum Einsatz. Diese erlaubt es 3D Bilder von Proben während einer makroskopischen Belastung zu erstellen und somit Strukturänderungen zu verfolgen. Hierbei ist es wichtig, zu beachten, dass die räumliche Auflösung der Tomographien limitiert ist, da mechanisch repräsentative Proben untersucht werden sollen. Mit verschiedenen Bildbearbeitungstools können aus diesen Bildern Informationen zur Struktur der Proben gewonnen werden. Aufgrund der limitierten Auflösung und unzureichenden, bisher durchgeführten Studien war es notwendig, diese Tools auf ihre Genauigkeit zu untersuchen. Mit Hilfe von synthetischen Bildern und hochauflösenden Nano-Tomographien, die als Basis für diese Analyse dienten, konnte festgestellt werden, dass Standardverfahren, die auch in kommerziellen Programmen implementiert sind, eine unzureichende Genauigkeit aufweisen. Aus diesem Grund wurden fortgeschrittene Verfahren hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Verwendbarkeit untersucht und Verfeinerungen der Standardverfahren vorgeschlagen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Verbesserungen eine wesentlich höhere Genauigkeit hinsichtlich der zu bestimmenden Strukturgrößen aufweisen. Mit diesen optimierten Verfahren wurde die Lokalisierung von Verformungen in monotonen Triaxialversuchen an zwei verschiedenen Sanden untersucht. Dazu wurde die Struktur innerhalb und außerhalb eines sich entwickelnden Scherbandes bestimmt und über einen Strukturtensor dargestellt. Die Proben verhalten sich relativ homogen bis zum Anfang der Lokalisierung. Danach wird die Struktur innerhalb des Scherbandes zunehmend anisotroper, indem sich die Kontakte immer weiter in Richtung der größten Hauptspannung ausrichten. Außerhalb des Scherbandes verändert sie sich kaum. Die Anisotropie des Strukturtensors bildet die Entwicklung des Spannungsdeviators dabei sehr gut ab. Um die abrupte Änderung der Steifigkeit bei Lastumkehr zu untersuchen, wurden Experimente an Sand- und Glaskugelproben durchgeführt, bei denen die Lastrichtung zu unterschiedlichen Zuständen umgekehrt wurde. Dabei wurden Tomographien von der Probe inbesondere vor und nach der Entlastung sowie nach der Wiederbelastung erstellt. Im Gegensatz zu Untersuchungen mit der DEM, entwickelt sich die Struktur in diesen Experimenten nur sehr gering. Qualitativ sind die Änderungen aber ähnlich mit denen aus den numerischen Simulationen: die Anisotropie verringert sich bei Ent- und vergrößert sich bei Wiederbelastung. Die inkrementelle Änderung der Anisotropie bei Lastumkehr wurde mit den Ergebnissen aus den numerischen Simulationen sowie der Entwicklung der intergranularen Dehnung verglichen. Mit dem Ziel dieses phänomenologische Konzept auf experimentelle Grundlagen zu stellen, wurde die intergranulare Dehnung in einer Simulation bei ähnlichen Bedingungen ermittelt. Eine experimentelle Erklärung dieses Konzeptes ist zumindest mit der Kontaktstruktur nicht möglich, da sich beide Variablen unterschiedlich entwickeln. Die Struktur entwickelt sich langsamer als die Zustandsvariable und weit über die Lastumkehr hinaus.

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Bücher, Broschüren

Dimitrios Kolymbas
Geotechnik, m. 1 Buch, m. 1 E-Book
Bodenmechanik, Grundbau und Tunnelbau. Mit E-Book
5., Aufl.
2019, xix, 587 S., 1 SW-Abb. 240 mm, Package, Bundle
Springer, Berlin

 

 

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Armin Ziegler
Bauwerksdynamik und Erschütterungsmessungen
2017, xi, 306 S., 18 SW-Abb., 262 Farbabb. 240 mm, Hardcover
Springer

 

 

Der Band gibt eine Einführung in die Dynamikprobleme im Bauwesen. Dazu gehören Bauwerks- und Baugrund-Dynamik sowie Erschütterungsmessung. Weitere Schwerpunkte sind Erschütterungsausbreitung beim Schienenverkehr, Fußgängerbrücken und Kirchtürmen. Anhand von zahlreichen Beispielen aus der Praxis wird die Anwendung der Theorie gezeigt. Aus dem Inhalt: - Grundlagen der Bauwerksdynamik; - Grundlagen der Baugrunddynamik; - Erschütterungsmessung im Bauwesen; - Erschütterungsausbreitung beim Schienenverkehr; - Fußgängerbrücken; - Dynamik der Glockentürme; - Schwingende Balkone; - Erschütterungsüberwachung; - Simulation von Bauwerksdynamikproblemen; - Simulation von Bodendynamik-Problemen; - Die Tücken der Bauwerksdynamik.

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Norbert Giesler
Die neue Erddrucklehre
auf den reinen Grundlagen der Physik
2017, 363 S., 232 mm, Softcover
Europäische Verlagsgesellschaften

 

 

Der Autor hat eigene umfangreiche Studien zum Erddruck zusammengefasst und daraus eine neue Erddrucklehre - ausschließlich unter Verwendung der physikalischen Gesetze - entwickelt. Die Berechnungsmodelle werden durch die Novellierung des Mehrphasensystems der Bodenmechanik ergänzt. Danach lassen sich die Bodenkennziffern von trockenen, feuchten und nassen Böden sowie von Böden unter Wasser ermitteln und stufenlos über deren Neigungswinkeln in den "Halbkreis der Bodenarten" einordnen. Der Einsatz empirischer Berechnungswerte wird damit überflüssig. Die neue Erddrucklehre repräsentiert in ihrer Komplexität den neuesten Stand der heutigen Technik. Sie erlaubt die Erdkräfte gegen Bauwerke, wie Stützwände, Widerlager von Brücken, erdverlegte Rohrleitungen /Kanäle und Tunnelstrecken exakt zu berechnen und damit Bauschäden auf Dauer zu vermeiden. Ebenso lassen sich die Tragfähigkeit von Böden unter Fundamenten oder Pfählen, sowie der Bewegungsdrang des Bodens in Berghängen ermitteln.

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Jens Engel, Carsten Lauer
Einführung in die Boden- und Felsmechanik
Lehrbücher des Bauingenieurwesens
Grundlagen und Berechnungen
2., Aufl.
2017, 251 S., 232 mm, Hardcover
Hanser Fachbuchverlag

 

 

Ingenieurgeologie sowie Boden- und Felsmechanik sind Teilgebiete der Geotechnik und bilden den Rahmen für den Inhalt des Buches. Es werden die Grundlagen für die Vorhersage der Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Baugrund behandelt. Dies umfasst die Beschreibung der Zusammensetzung des Baugrunds, seiner Entstehungsgeschichte, die Bestimmung der erforderlichen mechanischen und hydraulischen Kennwerte sowie Berechnungsverfahren für rechnerische Prognosen. Zur besseren Veranschaulichung wird ein Beispielprojekt eingeführt. Die Übungsbeispiele beziehen sich auf dieses fiktive Bauvorhaben. Das Buch richtet sich vor allem an Studierende des Bauingenieurwesens, soll aber auch dem praktisch tätigen Ingenieur Anregungen bieten und enthält viele Arbeitsmittel, die die Bearbeitung unterschiedlicher Aufgabenstellungen erleichtern. Die Planung und Berechnung der eigentlichen konstruktiven Lösung wird in den Fächern Grund-, Erd- und Dammbau behandelt und ist Gegenstand eines weiteren Bandes, der in der Reihe erschienen ist. In diesem wird auf den Grundlagen des hier beschriebenen Buches aufgebaut und das Beispielprojekt bezüglich der gründungstechnischen Konstruktionen vertieft. In der zweiten Auflage wurden die Berechnungen und Beispiele auf die aktuellen Normen umgestellt. Weiter wurden Beispiele ausgetauscht und weitere hinzugefügt.

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Dimitrios Kolymbas
Geotechnik
Bodenmechanik, Grundbau und Tunnelbau
4., Aufl.
2016, XXI, 585 S., m. 562 Abb. u. 150 Tab. 246 mm, Hardcover
Springer

 

 

Das Buch behandelt die Bodenmechanik und ihre Anwendungen in der Baupraxis (Geotechnik, Grundbau, Spezialtiefbau, Tunnelbau). Boden nimmt als granularer Stoff eine Zwischenstellung zwischen Feststoffen und Fluiden ein. Daher ist die Bodenmechanik nicht nur praxisrelevant, sondern auch eines der interessantesten Gebiete für die Forschung. Die Wechselwirkungen des Bodens mit dem Wasser machen die Bodenmechanik theoretisch noch anspruchsvoller und für die Praxis noch wichtiger. Zu einer Zeit, wo Regelwerke und Normen unüberschaubar werden, kommt es mehr denn je auf das Verständnis der zugrunde liegenden Konzepte an. Der Autor legt größten Wert auf ihre übersichtliche Darstellung, sowohl in der Theorie als auch in der Praxis, die sich in der Geotechnik rasant verändert. Veraltete Theorien und Bauverfahren wurden ausgelassen, und dafür wurde ein Einblick in die vielfältigen Randgebiete der Geotechnik gewährt.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
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Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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Christos Vrettos, Oliver Kornadt, Andreas Becker, Leila Nagel, Elisabeth Seibel, Albert Vogel, Marc Oliver Rosenquist
Prognose des strukturinduzierten sekundären Luftschalls aus dem Schienenverkehr. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3089
2018, 100 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Entwicklung eines Prognoseverfahrens für den sekundären Luftschall, der durch den Körperschall der Bauteile eines Gebäudes generiert wird, steht im Fokus dieses Projektes. Als Quelle wird in diesem Fall der schienengebundene Verkehr untersucht, der durch den Untergrund in den angrenzenden Gebäuden über die Schwingungen der Bauteile als sekundärer Luftschall wahrgenommen wird. Mit diesem Vorhaben wird die Erweiterung des bestehenden Modells auf inhomogene Bodenverhältnisse mit Pfahlgründungen und eine fundierte Verifizierung des Modelles angestrebt. Dabei werden verschiedene Bodentypen, z.B. geschichtete Böden und gebäudeseitig die induzierten Schwingungen in den unterschiedlichen raumbegrenzenden Flächen untersucht. Methodisch sollen sowohl numerische Berechnungen als auch messtechnische Untersuchungen durchgeführt werden und ein praxistaugliches Verfahren entwickelt werden.

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Benjamin Aulbach, Martin Ziegler, Sarah Horsten, Nils Peter Huber
Sicherheitsnachweise für den Hydraulischen Grundbruch - Erweiterung für den räumlichen Fall und für geschichteten sowie anisotropen Boden. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3274
2012, 137 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche Berechnungen zur Ermittlung der für die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch erforderlichen Einbindetiefe für den ebenen und begrenzt für den räumlichen Fall durchgeführt. Als Ergebnis wurden dimensionslose Bemessungsdiagramme zur einfachen Ermittlung der erforderlichen Einbindetiefe erhalten, welche die Geometrie und im räumlichen Fall die veränderten Anströmungsverhältnisse berücksichtigen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass die Verwendung von Näherungsverfahren, welche weder die geometrischen Verhältnisse noch die räumliche Anströmung berücksichtigen, zu Einbindetiefen führen, welche oftmals auf der unsicheren Seite liegen. Im ebenen Fall wurden sowohl günstiger als auch ungünstiger Baugrund und verschiedene Wichten untersucht. Die Untersuchungen im räumlichen Fall beschränkten sich hingegen bisher auf günstigen Baugrund mit einer Wichte unter Auftrieb von 11 kN/m hoch 3. Bisher noch überhaupt nicht betrachtet wurden geschichteter und hinsichtlich der Durchlässigkeit anisotroper Boden. Aus diesem Grund sollten die bisherigen Untersuchungen fortgesetzt und die Bemessungsdiagramme um die noch fehlenden Fälle ergänzt werden. Ziel des neuen Forschungsvorhabens war es, auch im räumlichen Fall für ungünstigen Baugrund und für verschiedene Wichten Untersuchungen anzustellen und die bisher bestehenden Bemessungshilfen dahingehend zu ergänzen. Weiterhin sollten Untersuchungen zu geschichtetem Baugrund sowie zu anisotropen Verhältnissen angestellt werden, so dass für nahezu alle geometrischen und hydraulischen Verhältnisse und für komplizierte Baugrundsituationen einfach zu handhabende Bemessungsdiagramme bzw. Empfehlungen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus sollten auch Untersuchungen zu Verbauwänden mit abgetreppten Verbauwänden angestellt werden. Damit umfangreiche Untersuchungen im räumlichen Fall innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens möglich wurden, wurde zunächst ein lnterFaceManager-Modul entwickelt. Mit diesem wurde ein Teil der Model

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M. Goldscheider
Vergleichende Versuche mit einem konventionellen und einem parallel geführten Rahmenschergerät als Grundlage für DIN 18137-3. Schlussbericht
2003, 72 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das konventionelle Rahmenschergerät nach Casagrande weist aufgrund seiner Konstruktion Imperfektionen auf, durch welche der Scherwiderstand des Probekörpers verfälscht werden kann. Daher wurden Konstruktionen mit Parallelführungen vorgeschlagen, von denen sich eine noch nach Aufnahme in E DIN 18137-3 als fallweise grob fehlerhaft erwies. Daraufhin wurde in DIN 18137-3 neben dem konventionellen Gerät eine Konstruktion mit senkrechten und unabhängigen Parallelführungen des oberen Rahmens und der Belastungsplatte aufgenommen. Mit dieser besser durchdachten Bauweise lagen allerdings erst wenige Erfahrungen vor. In dieser Forschungsarbeit wurde durch vergleichende Versuche mit verschiedenen Böden untersucht, ob in den Versuchsergebnissen aus dem konventionellen und dem verbesserten Gerät wesentliche Unterschiede bestehen oder beide Geräte als geeignet zu beurteilen sind und welches Gerät gegebenenfalls vorzuziehen ist. Dabei wurde folgendes festgestellt: Beim Gerät mit unabhängigen senkrechten Parallelführungen gab es keine Anzeichen für systematische Verfälschungen. Die Drehung der Kopfplatte beim konventionellen Gerät während des Abscherens hat keinen merklichen Einfluss auf den resultierenden Scherwiderstand des Probekörpers, sondern wirkt sich nur auf die Schubsteifigkeit und die Verformungen aus. Dagegen kann die Scherfestigkeit bei diesem Gerät erheblich durch die senkrechte Reibungskraft zwischen oberem Rahmen und Belastungsplatte verfälscht werden. Diese Reibungskraft tritt dann auf, wenn die Höhe des Probekörpers durch das Abscheren bis zum Grenzzustand durch Kontraktanz abnimmt; es entsteht aber kein Fehler, wenn die Höhe des Probekörpers durch Dilatanz zunimmt oder konstant bleibt. Daher ist das konventionelle Gerät für Sand und Schluff, die sich meist dilatant verhalten, geeignet und ausreichend genau. Beim untersuchten Ton dagegen wurde der Reibungswinkel durch diesen Effekt um 4 Grad bis 5 Grad nach oben verfälscht. Der Fehler ist nicht an inneren Widersprüchen innerhalb einer Versuchsserie zu erkennen.

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Michael Ulrich
Korrelationen zwischen Korngrößenverteilung und Proctordichte. Schlußbericht
Bauforschung, Band T 2987
2002, 60 S., Abb., Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Forschungsbeitrag analysiert mittels statistischer Methoden die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kennwerten der Korngrößenverteilung und der Proctordichte grobkörniger Böden. Er formuliert Rechenansätze, die es gestatten, die zu erwartende Proctordichte auf Basis der Korngrößenverteilung überschläglich zu ermitteln und stellt damit eine leicht zu handhabende Methode der Plausibilitätskontrolle für Proctorversuche zur Verfügung, welche die Qualitätssicherung bei Verdichtungsarbeiten unterstützt. Für die statistische Auswertung wurden ca. 5000 Versuche an Proben aus natürlichen Sanden, Kiesen und gemischten Böden (Recycling-Material) aus dem Berliner Raum durchgeführt und die Abhängigkeit der Proctordichte vom optimalen Wassergehalt und anderen Parametern der Korngrößenverteilung untersucht.

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D. König, O. Syllwasschy
Beanspruchung von tiefen Schächten in Deponien. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2722
1995, 110 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Schächte in Deponien sind gleich- und ungleichförmigen Radialspannungen, vertikalen Beanspruchungen durch negative Mantelreibung sowie Schrägstellungen und Krümmungen infolge Verformungen im Abfall ausgesetzt. Als Folge hiervon treten Schäden an den Schächten bis hin zum totalen Funktionsverlust auf. Ziel war es, Aussagen über die Größe der mechanischen Beanspruchung von Schachtbauwerken in Deponien in Abhängigkeit der grundsätzlichen Eigenschaften der Schachtkonstruktion und der Abfalleigenschaften zu erarbeiten. Es sollen die Grundlagen für ein bisher fehlendes Bemessungsverfahren geschaffen werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen Versuche mit der geotechnischen Großzentrifuge der Ruhr-Universität Bochum. Die Anordnung eines Kiesmantels um den Schachtausbau hat zusammen mit einer radialsymmetrischen Belastung einen ungünstigen Einfluß auf die negative Mantelreibung in Zusammenspiel mit einem steifen Ausbau. Die lastverteilende Funktion des Kiesmantels bei asymmetrischen Belastungen wird durch die Versuche bestätigt. Voraussetzung ist hier, daß der Kiesmantel ausreichend dick ist.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Ney, Marcel; Rackwitz, Frank
Baugrundverbesserung mit Sandsäulen in weichen organischen Böden
Bautechnik, 2020

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Geitz, Matthias
Bautechnische Herausforderung. B 15 - Bau der Westtangente Rosenheim
Bau Intern, 2020

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Gerlach, Tim; Achmus, Martin; Hay, Stefan
Experimentelle Untersuchungen an Bettungsmaterialien für erdverlegte Fernwärmeleitungen
Euroheat & Power, 2020

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Rosenzweig, Tino; Szczyrba, Sebastian; Kudla, Wolfram
Spannungszustände in Abraumförderbrückenkippen
Geotechnik, 2020

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Back, Martin
Geotechnische Aspekte beim Neubau der BAB A 44 auf einer 190 m tiefen Kippe im Tagebau Garzweiler
Straße + Autobahn, 2020

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