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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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Bücher, Broschüren

Karl Stocker, Sigrid Bürstmayr
Designing Sustainable Cities
Manageable Approaches to Make Urban Spaces Better
2020, 152 S., 60 col. ill. 235 mm, Softcover
Birkhäuser Berlin

 

 

Das sechsbändige Werk befasst sich mit den Anwendung von Differentialgleichungen in diversen Bereichen der Physik, Ingenieurwesen, Mathematik, Biologie und Soziologie. In jedem Buch wird die Theorie einleitend behandelt, dann werden die verschiedenen Anwendungen und Beispiele im Detail erklärt und diskutiert. Der 3. Band fokussiert auf die klassische Statik: Saiten, Balken und Platten.

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Rhena Krawietz, Wilfried Heimke
Physik im Bauwesen
Ein einführendes Lehrbuch mit Beispielen
2., Aufl. 2020
2020, 270 S., Komplett in Farbe 230 mm, Hardcover
Hanser Fachbuchverlag

 

 

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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Raimond Dallmann
Baustatik, 1, Berechnung statisch bestimmter Tragwerke
Lehrbücher des Bauingenieurwesens
6., aktualis. Aufl.
2020, 210 S., zweifarbig. 230 mm, Hardcover
Hanser Fachbuchverlag

 

 

Die Baustatik bildet die Grundlage für alle konstruktiven Lehrgebiete des Ingenieurbaus. Band 1 vermittelt auf anschauliche Weise die Methoden zur Berechnung statisch bestimmter Tragwerke. Inhaltlicher Schwerpunkt ist die Ermittlung von Schnittgrößen, weiterhin werden mechanische Grundlagen, das Prinzip der virtuellen Verschiebungen, die Ermittlung von Einflusslinien für Schnittgrößen sowie räumliche Systeme behandelt. Die theoretischen Zusammenhänge werden durch zahlreiche Berechnungsbeispiele ausführlich erläutert. Eine Vielzahl von Aufgaben mit Lösungen ermöglichen die eigenständige Übung des Lehrstoffes. Das Buch wendet sich an Studienanfänger des Bauwesens und ist durch die Eignung zum Selbststudium eine wichtige Ergänzung zur Lehrveranstaltung sowie eine wertvolle Hilfe zur Prüfungsvorbereitung. Für die sechste Auflage wurde das Lehrbuch aktualisiert und korrigiert.

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Adriano Oprandi
Angewandte Differentialgleichungen, Band 3. Baudynamik
De Gruyter Studium
2020, VII, 208 S., 67 b/w ill. 240 mm, Softcover
De Gruyter

 

 

Das sechsbändige Werk befasst sich mit den Anwendung von Differentialgleichungen in diversen Bereichen der Physik, Ingenieurwesen, Mathematik, Biologie und Soziologie. In jedem Buch wird die Theorie einleitend behandelt, dann werden die verschiedenen Anwendungen und Beispiele im Detail erklärt und diskutiert. Der 3. Band fokussiert auf die klassische Statik: Saiten, Balken und Platten.

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Andreas Öchsner
Leichtbaukonzepte anhand einfacher Strukturelemente
Springer-Lehrbuch
Neuer didaktischer Ansatz mit zahlreichen Übungsaufgaben
2019, xiv, 224 S., 144 SW-Abb., 71 Farbabb. 240 mm, Softcover
Springer, Berlin

 

 

In der Ingenieurpraxis werden in der Regel recht komplexe Systeme, auch unter der Verwendung kommerzieller Programmpakete, optimiert. Zur Einführung der unterschiedlichen Leichtbaukonzepte im Rahmen eines Hochschulingenieurstudiums kann jedoch auch zuerst auf einfache Strukturelemente, die im Rahmen der technischen Mechanik vorgestellt werden, zurückgegriffen werden. Die einfachsten Elemente sind hierbei Stäbe und Balken, die neben Federn den eindimensionalen Strukturelementen zugerechnet werden. Anhand dieser Elemente können recht anschaulich Fragestellungen zur Werkstoffauswahl und der geometrischen Gestaltung und Optimierung von lasttragenden Strukturen diskutiert werden. Somit bietet das Lehrbuch eine einfache und umfassende "Anleitung" zur Anwendung der unterschiedlichen Leichtbaukonzepte, wobei der Schwerpunkt auf dem Stoff- und Formleichtbau beziehungsweise der Kombination dieser beiden Konzepte liegt.

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Forschungsberichte

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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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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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Martin Gräfe, Philipp Dietsch, Andreas Hipper, Matthias Wild, Stefan Winter
Vorspannung von Brettsperrholzkonstruktionen
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3099
2019, 243 S., 134 Abb. u. 38 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Hohe und schlanke Bauwerke werden durch Wind- und Erdbebenlasten horizontal beansprucht. Die daraus entstehenden Kräfte sind häufig eine bemessungsmaßgebende Einwirkung, je mehr, umso geringer das Eigengewicht der Tragstruktur ist. In hohen Geschossbauwerken sind daher häufig erhebliche Zugkräfte aufzunehmen. Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von Möglichkeiten, aussteifende Bauteile aus Brettsperrholz vertikal vorzuspannen, um diese Zugkräfte aufnehmen zu können. In diesem Forschungsvorhaben wurde untersucht, wie aussteifende Bauteile im Geschossbau (Wandscheiben und Kerne) aus Brettsperrholz vertikal vorgespannt werden können. Im Einzelnen wurde das mechanische Verhalten von Brettsperrholz bei der Einleitung von konzentrierten Einzellasten in Plattenebene, das Kriechverhalten unter Längsdruckbeanspruchung, sowie die Möglichkeiten der Ausbildung formschlüssiger Bauteilverbindungen untersucht. Dieser Forschungsbericht soll einen Beitrag dazu liefern, die ingenieurmäßige Anwendung des vorgeschlagenen Systems vorgespannter Brettsperrholzbauteile durch Bereitstellung wesentlicher technischer Eigenschaften zu erleichtern, bzw. zu ermöglichen.

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Zeitschriftenartikel

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Fingerloos, Frank; Ignatiadisnk, Anett
New edition of DAfStb-Heft 600, Part 1 (Buildings) - extended contents and new provisions: overview
BFT International, 2021

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Maack, Stefan; Küttenbaum, Stefan; Epple, Niklas; Aligholizadeh, Mohammad
Die Ultraschall?Echomethode - von der Messung zur bautechnischen Kenngröße. Studie zur Leistungsfähigkeit der Messmethode am Referenzmaterial Polyamid und an Beton
Beton- und Stahlbetonbau, 2021

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Aji, H. D. B.; Basnet, M. B.; Wuttke, Frank
A numerical study on the influences of underlying soil and backfill characteristics on the dynamic behaviour of typical integral bridges
Bauingenieur, 2020

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Ratsch, Nils; Böhm, Stefan; Myslicki, Sebastian; Voß, Morten
Einkleben von Gewindestangen in Laubholz bei niedrigen Temperaturen
Bautechnik, 2020

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Claus, Timo; Seim, Werner
Zapfenverbindungen im Holzbau - bruchmechanische Analyse und Vorschlag eines Berechnungsmodells
Bautechnik, 2020

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