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Finite-element-based limit analysis for strength predictions of wood at different scales of observation and a novel algorithm for adaptive implementation of velocity discontinuities in upper bound approaches

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[Quelle: https://repositum.tuwien.ac.at]

Numerical limit analysis belongs to the field of computational plasticity and is mainly used to predict load bearing capacities of engineering structures. In contrast to conventional elastoplastic analysis methods, limit analysis exclusively focuses on the time instant of structural collapse, and thus the whole load history up to this point doesnt need to be examined. Especially, finite-element-based limit analysis formulations have evolved to powerful tools, able to solve complex large-scale problems efficiently and robustly. Within this thesis, existing finite-element-based limit analysis formulations are discussed in detail and, subsequently, systematically adapted and extended to be applicable to orthotropic materials. The performance of the proposed formulations is assessed by means of different engineering problems. The whole thesis addresses two main tasks and thus has been organised into two parts accordingly. The first part of the thesis is dedicated to the implementation of numerical limit analysis approaches for strength predictions of wood and wood-based products. Since wood is undergoing a revival and has recaptured market shares in recent years, a reliable and efficient strength prediction tool is urgently needed in timber engineering. However, due to the intrinsic hierarchical structure of wood, a sophisticated and realistic numerical description of its strength behaviour is only possible by means of multiscale considerations. For this reason, numerical limit analysis formulations are proposed for two different scales of observation, the annual ring scale and the clear wood scale. At each scale, effective failure surfaces and distinct failure modes at various stress states could be obtained, and a validation by means of biaxial tests at the clear wood scale has rendered this numerical approach as a powerful tool providing sufficient and reliable information to investigate failure mechanisms of wood at different scales. Furthermore, a comparison between the proposed numerical method with two other computational methods, the extended finite element method and an elastic limit approach in the framework of continuum micromechanics, was performed, showing their strengths and weaknesses on predicting wooden strengths. The numerical limit analysis approaches can, on the one hand, capture basic characteristics of failure modes and the overall strength behaviours correctly and, on the other hand, fulfil the requirement of simplicity and efficiency for being applicable in engineering practice. To assess the applicability in engineering problems, the proposed numerical limit analysis approaches are implemented to predict the load bearing capacity of wood-based products. According to a validation by means of experimental results, this numerical method can provide reliable predictions on bending capacities of cross-laminated timber plates and allows for stochastic studies, taking inhomogeneities and uncertainties of the material into account. In summary, numerical limit analysis can be expected to play an important role for fast strength predictions of wood and wood-based products in the future.

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Reihe I: Text. Band. Intrinsische Hybridverbunde für Leichtbautragstrukturen
Grundlagen der Fertigung, Charakterisierung und Auslegung
2021, xv, 322 S., XV, 322 S. 240 Abb., 207 Abb. in Farbe. 240 mm, Hardcover
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Der Einsatz von Leichtbautragstrukturen bietet heutzutage die Möglichkeit eine signifikante Gewichtsreduzierung zu realisieren. Bei der Gestaltung dieser Leichtbautragstrukturen müssen, je nach Anwendungsfall, eine Vielzahl von Anforderungen berücksichtigt werden. Die komplette Substitution eines Werkstoffes ist für die konsequente Nutzung des Leichtbaupotentials nicht immer zielführend. Eine optimale Gesamtstruktur besteht aus einer hybriden Werkstoffkombination, dem sogenannten Multi-Material-Design. Der Ansatz der Hybridisierung von Strukturkomponenten rückt somit immer stärker in den Vordergrund und kann grundsätzlich nach zwei unterschiedlichen Methoden erfolgen. Zum einen können zwei Bauteile aus Faserverbundkunststoff und Metall durch nachgeschaltete Fügeprozesse, wie beispielsweise Nieten, Schrauben oder Kleben, gefügt werden. Nachteil dieses Ansatzes ist neben dem Aufwand für den Fügeprozess die zusätzliche Masse, durch die das Leichtbaupotential nicht vollkommen ausgeschöpft werden kann. Zum anderen besteht die Möglichkeit der Herstellung des Hybridverbunds in einem einstufigen Prozess, wobei die Verbindung der verschiedenen Materialien im Ur- oder Umformprozess ohne einen nachfolgenden Fügeschritt erfolgt. Das entstehende Bauteil dieses einstufigen Prozesses wird als intrinsisches Hybrid bezeichnet. Aufgrund der intrinsischen Hybridisierung entstehen neue Gestaltungsmöglichkeiten und produktionstechnische Vorteile, aber auch Herausforderungen in Bezug auf die Prüfung, Simulation und Herstellung. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1712 der Deutschen Forschungsgemeinschaft wurde hierzu auf den Fachgebieten Produktionstechnik, Mechanik und Werkstoffwissenschaften intensiv Forschungsarbeit geleistet. Im Buch werden die Entwicklung und der Fertigungsprozess von flächigen, rohrförmigen und profilförmigen, intrinsischen Hybridverbunden erläutert und die wichtigsten Erkenntnisse zusammenfassend dargestellt.

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Jakob Schoof
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Stahlbeton gilt als Allzweckwaffe des modernen Bauens: Kein anderer tragender Baustoff ist so gut formbar und hat ähnlich gute Schall- und Brandschutzeigenschaften. Das Buch illustriert diese Vielseitigkeit anhand von rund 20 Gebäudebeispielen und Fachbeiträgen aus dem Hoch- und Ingenieurbau. Ausführliche Projektbeschreibungen sowie zahlreiche Detailzeichnungen machen den Entwurfs- und Bauprozess der Hallen, Brücken, Bahnhöfe und Bürohäuser nachvollziehbar. Die Beiträge aus Forschung und Praxis porträtieren zugleich einen Baustoff im Wandel. Die Stahlbetonbauten früherer Jahrzehnte bilden ein Erbe, dessen Sanierung und Unterhalt uns bis heute in Atem hält. Auch auf den Umgang mit dieser Bausubstanz wirft das Buch einen kritischen Blick.; Reinforced concrete is the go-to powerhouse of modern construction: no other load-bearing building material is as malleable with similarly good noise and fire protection properties. The book illustrates this versatility with around 20 building examples and specialist articles from the fields of structural and civil engineering. In-depth project descriptions and numerous detailed drawings show the design and construction process of these halls, bridges, railway stations, and office buildings. Articles informed by research and practice also portray a building material in transformation. Still, the reinforced concrete buildings of earlier decades also constitute a legacy, and their restoration and maintenance continue to fascinate us to this day. The book also takes a critical look at the handling of this building material.

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Horst Herrmann, Wolfgang Krings
Kleine Baustatik
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Springer

 

 

Der Autor bietet konkrete Hilfe und zeigt, dass Statik kein wesensfremdes Gebiet, sondern ein ständiger Begleiter im beruflichen Alltag ist. Das in der 19. Auflage aktualisierte Lehrbuch "Kleine Baustatik" mit bewährtem Inhalt vermittelt wichtige Grundlagenkenntnisse der Baustatik und umfasst alle aktuellen Eurocode-Normen im Holz-, Mauerwerks- und Stahlbetonbau. Dabei wird die oft so gefürchtete Statik einfach und leicht dargestellt. An über 75 Beispielen werden die einzelnen Berechnungsgänge erläutert, und über 90 Übungen sollen dazu dienen, die erlernten Stoffinhalte zu vertiefen und zum selbstständigen Lösen von Aufgaben anzuhalten. Die hierzu erforderlichen Zahlenwerte und Auszüge aus den aktuellen Eurocodes sind im Anhang, Kapitel 12 in 45 Tabellen enthalten. Abschließend ist in Kapitel 11 für ein einfach konzipiertes, kleines Wochenendhaus eine statische Berechnung nur der wichtigsten Bauteile angefügt. Hierbei sollen viele Erkenntnisse, die man beim Durcharbeiten des Buches erworben hat, im Rahmen einer praxisnahen Anwendung noch einmal wiederholt und vertieft werden.

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Rhena Krawietz, Wilfried Heimke
Physik im Bauwesen
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Der Band enthält eine Übersicht über die wichtigsten physikalischen Grundlagen im Bauingenieurwesen. Die für das Bauwesen physikalischen Gesetzmäßigkeiten werden dargestellt, mit Versuchen erläutert und durch Anwendungsbeispiele belegt. Darauf aufbauend werden Anforderungen an Gebäude abgeleitet und in Normen dokumentierte Nachweisverfahren benannt und beispielhaft erklärt.

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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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Thomas Oberndorfer, Frank Hunger, Oliver Fischer
Ultra High Performing Timber Walls - Einsatz von schlanken Lamellen aus ultrahochfestem Beton in Brettsperrholzelementen zur Steigerung der Tragfähigkeit
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3233
2021, 165 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bei mehrgeschossigen Hochbauten ergeben sich vor allem in den unteren Etagen hohe Vertikallasten in den tragenden Wandscheiben. Durch die Kombination von ultrahochfestem Beton mit Holz soll ein nachhaltiger und hochleistungsfähiger Verbundwerkstoff geschaffen werden, der sich neben den allgemeinen Vorzügen von Holz insbesondere durch seine hohe und an die örtliche Belastung anpassbare Tragfähigkeit auszeichnet. Das Forschungsprojekt konnte zeigen, dass eine tragfähige Verklebung von ultrahochfestem Beton und Holz mit zugelassenen Klebstoffen, die in der Brettsperrholzproduktion üblich sind, hinsichtlich des Kurzzeittragverhaltens herstellbar sind.

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Wolfram Jäger, Hassan Youssef, Fabian Meyer
Faseranker und -nadeln (FaAnNa) - Einsatz von Ankern und Nadeln aus Faserwerkstoffen bei der Sanierung historischer Bauwerke
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3187
2020, 174 S., 163 Abb. u. 19 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Verankerung und Vernadelung von Mauerwerk mit Stabstahl wird heute bei der Sanierung historischer Bauwerke häufig angewendet. Der Nachteil dabei ist, dass ein Korrosionsschutz bei schwarzem Stahl bzw. Edelstahl zum Einsatz kommen müssen. Verpressmörtel auf Zementbasis führen bei sulfathaltigem Mauerwerk zu Verträglichkeitsproblemen. Der Einsatz von Edelstahl ist mit hohen Kosten verbunden. Faserverstärkte Kunststoffe stellen hier eine Alternative dar. Mit dem Forschungsvorhaben sollten wesentliche Grundlagen für den Einsatz von Faserverbundbewehrung zur Verankerung und Vernadelung von historischem Mauerwerk erforscht und für die Praxis die entsprechenden Daten und Bemessungsalgorithmen bereitgestellt werden. Die Untersuchung wurde bei den wesentlichen Materialien, dem Faserverbundwerkstoff, dem Mauerwerk und dem Injektionsgut begonnen. Aus den Erkenntnissen zum Verhalten von unterschiedlichem historischem Mauerwerk ist das Anforderungsprofil an das Anker- und Nadelmaterial auf der Basis einer umfangreichen Werkstoffanalyse festgelegt worden. Im Anschluss an die theoretischen Untersuchungen sind experimentelle Untersuchungen angeschlossen worden. Die technologische Erprobung erfolgte an zwei konkreten Objekten in der Praxis, dem Schloss Steinort in Polen und der Sicherung des westlichen Iwans in der Weltkulturerbestätte Tahkt-e Soleyman im Iran.

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Jörg Lange, Alexander Engel
Tragfähigkeit von direkt befestigten Sandwichelementen unter zyklischer Beanspruchung. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3365
2019, 214 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Abminderung der Tragfähigkeit von direkten Befestigungen unter zyklischer Beanspruchung anhand eines umfangreichen Versuchsprogramms zu bestimmen und ggf. gegenüber der bisherigen Zulassungspraxis zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Durchknöpfversuche gemäß prEN 14509-2 an kleinformatigen Sandwichelementen verschiedener Hersteller, Kernmaterialien, Elementhöhen und Deckblechdicken sowie Schrauben verschiedener Hersteller am Mittel- und Endauflager durchgeführt und ausgewertet. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse des Forschungsvorhabens, dass die zyklische Tragfähigkeit direkt befestigter Sandwichelemente von einer Vielzahl an Faktoren abhängt, die nicht ausreichend durch Versuche an Bügelproben abgebildet werden können. Die ermittelten zyklischen Abminderungsfaktoren unterscheiden sich hinsichtlich des verwendeten Kernmaterials und der Lage im Bauteil. Die Angabe eines pauschalen Abminderungsfaktors ist aufgrund der vielzähligen Einflüsse nicht zweckmäßig und unwirtschaftlich. Eine Differenzierung des Faktors wird empfohlen.

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Jaroslav Novak, Martin Heßler, Wolfgang Jehl, Norbert Sack
Fenstermontage in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk
Erarbeitung eines Leitfadens zur Befestigung von energieeffizienten Fenstern in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3087
2019, 166 S., 128 Abb. u. 88 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Um die Anforderungen an den gestiegenen Wärmeschutz von Wänden zu erfüllen, wurde die Wärmeleitfähigkeit von Ziegelmauerwerk in den letzten Jahren deutlich reduziert. Mit der entsprechenden Verbesserung der wärmetechnischen Eigenschaften ging jedoch gleichzeitig eine Reduzierung der mechanischen Festigkeiten einher. Zur Reduzierung des Wärmdurchgangskoeffizienten U von Fenstern und anderen transparenten Bauelementen wird der Einsatz von 3-fach Glas in Zukunft Standard werden. Der Trend des Transparenten Bauens führt zu Bauelementen und somit auch zu größeren Glasflächen. Die Anforderungen an den Komfort (z. B. Schallschutz) sowie an die Sicherheit (z. B. Einbruchhemmung) werden auch in Zukunft steigen. Hierdurch wird vermehrt Isolierglas mit Verbundscheiben eingesetzt werden. Durch diese Entwicklungen ergeben sich heute und auch in Zukunft deutlich höhere Gewichte von transparenten Bauelementen. Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung von praxisnahen Handlungsempfehlungen zur Fensterbefestigung in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk. Im Rahmen des Projektes sollten gesamtheitliche praxistaugliche Lösungen erarbeitet werden. Zur Erreichung der Ziele waren umfangreiche experimentelle Untersuchungen vorgesehen. Im Rahmen der Untersuchungen sollten die Belastungsgrenzen für Befestigungslösungen in hochwärmedämmendem Ziegelmauerwerk herausgearbeitet werden sowie baupraktische Lösungsvorschläge erarbeitet werden, die auch spezielle Einbausituationen (z. B. untere Befestigung bei Hochlochziegeln) berücksichtigen. Die Erkenntnisse sollten sowohl durch Untersuchungen an Kleinproben, als auch durch komplette Bauteilversuche erarbeitet werden.

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Oliver Fischer, Roland Niedermeier, Sebastian Schmidt
Erarbeitung von materialspezifischen Widerstandskennwerten für die Verbundfugenbemessung von Stahlfaserspritzbetonergänzungen im Hinblick auf das nationale Anwendungsdokument zu DIN EN 14487 und DIN EN 14488. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3364
2019, 104 S., 45 Abb. u. 32 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen der Forschungsarbeit wird die Tragfähigkeit der Verbundfuge von unbewehrten Stahlfaserspritzbetonergänzungen experimentell sowie numerisch untersucht. Die Bewertung der Schubfestigkeit der unbewehrten Verbundfuge erfolgt durch kleinformatige Probekörper ohne Fugennormalspannung und mit Fugennormalspannung. Dabei wird der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung, des Betonuntergrundes und des Fasergehaltes bei verschiedenen Rautiefen unter Verwendung von verschiedenen, praxisüblichen Spritzbetonmischungen untersucht. Des Weiteren werden die zwangsspannungsinduzierenden Schwindverformungen für unterschiedliche Spritzbetonmischungen ermittelt. Die statistische Auswertung der durchgeführten Kleinkörperversuche ohne Fugennormalspannung zeigt, dass bei der verwendeten Fasergeometrie mit den Bemessungsansätzen der Adhäsionstragfähigkeit nach (DIN EN 1992-1-1:2011-01) in Verbindung mit (DIN EN 1992-1-1/NA:2013-04) für Bauteile, die nachträglich mit Spritzbeton bzw. unbewehrten Stahlfaserspritzbeton ergänzt werden, unter sorgfältiger Nachbehandlung ein ausreichendes Sicherheitsniveau für Fugen der Rauheitskategorie rau, verzahnt und spritzrau erreicht wird.

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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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Gutermann, Marc; Schnieders, Maximilian
Tragsicherheitsbewertung von historischen Deckentragwerken im Bestand. Hält das noch oder kann das weg? (kostenlos)
Bausubstanz, 2022

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Metje, Kevin; Leutbecher, Torsten
Zur Querkraftbemessung von Biegeträgern aus stahlfaserverstärktem ultrahochfesten Beton - Teil 1: Bemessungsansatz und Datenbank
Bauingenieur, 2022

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Krinitzki, Christopher; Hartz, Christian; Baniseth, Fabio; Wehnert-Brigdar, Alexandra
Parametrische Tragwerksplanung und Optimierung in der Entwurfsphase am Beispiel der Talbrücke Bremecke. Digitale Planungsmethoden im Brückenbau
Bauingenieur, 2022

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Simon, Patrick; Helmrich, Marcel; Herrmann, Ralf; Schneider, Ronald; Baeßler, Matthias; Lorelli, Salvatore; Morgenthal, Guido
Maintalbrücke Gemünden: Bauwerksmonitoring und -identifikation aus einem Guss
Bautechnik, 2022

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Hochuli, Antonina; Trouillet, Jean-Georges; Brühwiler, Eugen; Schulz, Olaf; Hoffmann, Michael
Erneuerung einer festen Fahrbahn der Bahn unter Verwendung von UHFB - weltweit erstmaliger Einsatz von UHFB im Gleisbau. Teil 2: Übersicht der statischen Nachweise, Dimensionierung der hochleistungsfähigen Schwellensockel aus UHFB
Bautechnik, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022