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Isogeometric analysis of shells

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[Quelle: https://elib.uni-stuttgart.de]

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer hierarchischen Familie von Schalenmodellen und deren Diskretisierung basierend auf NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) Funktionen für die numerische Analyse von Schalenstrukturen. Als mechanisches Basismodell wird eine mittelflächenparametrisierte 3-Parameter-Formulierung mit Kirchhoff-Lovescher Schalenkinematik verwendet. Für das in der Arbeit entwickelte Schalenmodell mit Reissner-Mindlin-Kinematik, werden die Annahmen der Kirchhoff-Loveschen Schalenkinematik durch Einführen zusätzlicher, von den Verschiebungsableitungen unabhängigen Parametern erweitert. Für die Berücksichtigung der Dickenänderung der Schale wird in der Arbeit zudem ein 7-Parameter-Schalenmodell entwickelt, welches einer Erweiterung des Reissner-Mindlin-Modells mit fünf Parametern entspricht. Die wesentliche Neuerung und Innovation ist die hierarchische Parametrisierung der Familie von 3-, 5- und 7-Parameter-Schalenmodellen, welche signifikante Vorteile im Hinblick auf Modelladaptivität und Elementtechnologie mit sich bringt. Mit Blick auf das diskretisierte Modell führt die hierarchische Parametrisierung dazu, dass Reissner-Mindlin-Schalenelemente bereits bei einer reinen Verschiebungsformulierung durch die Entkopplung von Biege- und Schubdeformationen kein Querschublocking aufweisen. Die hierarchische 7-Parameter-Formulierung stellt eine Erweiterung der hierarchischen 5-Parameter-Variante dar, bei der bei einer reinen Verschiebungsformulierung neben Querschublocking auch Krümmungs-Dicken-Locking automatisch vermieden wird. Alle hierarchischen Varianten müssen die Anforderungen der schubstarren Kirchhoff-Love-Schale erfüllen, welches das Basismodell der hierarchischen Formulierungen ist. Ansatzfunktionen mit C1-Kontinuität lassen sich mit den in der Arbeit verwendeten höher-kontinuierlichen NURBS Funktionen definieren. Zur Vermeidung von Membranlocking werden zudem zwei neue Methoden - eine NURBS basierte Discrete-Strain-Gap Methode und ein gemischte Spannungs-Verschiebungs Formulierung entwickelt- welche zu isogeometrischen Finite-Elemente Formulierungen führen, die komplett frei von geometrischen Lockingeffekten sind.

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Bücher, Broschüren

Peter Hinz, Klaus Holschemacher, Klaus Peters, Leif A. Peterson, Frank Purtak
Konstruktiver Ingenieurbau kompakt
Bauwerk
Formelsammlung und Bemessungshilfen nach Eurocode für die Bereiche: Lastannahmen, Holzbau, Mauerwerksbau, Stahlbau, Stahlbetonbau, Geotechnik, Statische Hinweise
6., Aufl.
2022, 440 S., 210 mm, Hardcover
Beuth

 

 

Konstruktiver Ingenieurbau kompakt: Das bewährte Standardwerk der statischen Bemessungsgrundlagen enthält die wichtigsten Angaben, die für die rechnerische Nachweisführung und Konstruktion von Bauteilen benötigt werden. Die Formelsammlung wurde an den aktuellen Stand der Normung angepasst, d. h. für die fünfte Auflage: das Kapitel Mauerwerksbau wurde komplett überarbeitet, alle anderen Kapitel aktualisiert. Außer den relevanten Formeln sind Querschnittswerte und Bemessungshilfen für folgende Bereiche enthalten: Sicherheitskonzept und Lastannahmen; Holzbau; Mauerwerksbau; Stahlbau; Stahlbetonbau; Geotechnik; statische Hinweise. Die individuelle Farbgestaltung der einzelnen Kapitel erleichtert die Handhabung in der täglichen Praxis und ermöglicht einen gezielten Zugriff auf die benötigten Angaben.

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Rosemarie Wagner
Statik und Tragwerkslehre für Architekten
2020, 400 S., 647 Abb., 26 Tab., Softcover
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Das Zusammenspiel von Einwirkungen und Widerständen im Bauwerk beeinflusst den Ressourcenverbrauch, die Wahl der Baustoffe, die Abmessungen der Bauteile und damit die Gestalt des Bauwerks. Ein solides Grundlagenwissen über das Trag- und Verformungsverhalten von Bauteilen und Konstruktionen gehört zum Handwerkszeug jedes Architekten. Die statischen Grundlagen zu erlernen, ist weniger schwierig, als viele annehmen. Dieses Buch ermöglicht einen niederschwelligen Zugang zur Tragwerkslehre und zum Tragwerksentwurf. Schritt für Schritt erklärt die Autorin, wie Einwirkungen, Bauteile und deren Verbindungen abstrahiert und nach den Gesetzen der Mechanik durch mathematische Funktionen beschrieben werden. Anschaulich erklärt sie Konstruktionsarten und Eigenschaften von Bauteilen aus den unterschiedlichen Materialien (Stahlbeton, Mauerwerk, Holz, Glas, Membrane). Zur Vordimensionierung von Mehrfeldträgern, Rahmen, Platten und Scheiben reichen häufig schon einfache Methoden. Wer tiefer einsteigen will, findet Zusatzinformationen zu ingenieurwissenschaftlichen Lösungsansätzen. Aufgrund der gut durchdachten didaktischen Aufbereitung und der ausführlichen Erklärungen ist das Buch für das Architekturstudium und die Prüfungsvorbereitung ebenso zu empfehlen wie für das Wiederauffrischen von Kenntnissen im Berufsalltag.

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Friedel Hartmann, Casimir Katz
Statik mit finiten Elementen
Springer-Lehrbuch
Lehrbuch
2., Aufl.
2019, xii, 361 S., XII, 361 S. 272 Abb., 215 Abb. in Farbe. 240 mm, Softcover
Springer

 

 

Ein Verständnis für die Grundlagen der finiten Elemente ist Voraussetzung dafür, dass man FE-Programme sinnvoll einsetzen kann, dass man Ergebnisse bewerten kann, denn erst aus dem Wissen um die Grundlagen kommt die nötige Souveränität und Gelassenheit im Umgang mit FE-Programmen. Das Ziel des Buches ist es daher, die Grundlagen der finiten Elemente in einer an die Vorstellungswelt des Ingenieurs angepassten Sprache darzustellen, sie so aufzubereiten, dass die Statik hinter den finiten Elementen sichtbar wird. Dabei kam es den Autoren vor allem darauf an, die Ideen zu vermitteln. Sie waren wichtig und nicht unbedingt die technischen Details, denn die Statik sollte im Vordergrund stehen und nicht das Programmieren der Elemente. Und so wurde auch viel Wert auf illustrative Beispiele gelegt. Die 2. Auflage wurde ergänzt um die Themen Einflussfunktionen, Modellbildung am Gesamtsystem, Stabilitätsnachweise komplexer Tragstrukturen, Reanalysis, Retrofitting und Sensitivitätsanalyse.

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Hilfsmittel zur Schnittgrößenermittlung und zu besonderen Detailnachweisen bei Stahlbetontragwerken
Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Band 631
2019, 108 S., 297 mm, Softcover
Beuth

 

 

Das DAfStb-Heft 631 "Hilfsmittel zur Schnittgrößenermittlung und zu besonderen Detailnachweisen bei Stahlbetontragwerken" entstand zusammen mit dem Heft 630 "Bemessung nach DIN EN 1992 in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit" aus der vollständigen Überarbeitung der beiden DAfStb-Hefte 220 und 240. Wie bei den Vorgängerheften sollen die beiden neuen Hefte zu einer einheitlichen Verfahrensweise bei der Anwendung der DIN EN 1992 beitragen und den Ingenieuren anerkannte Hilfsmittel zur Verfügung stellen. Das neue Heft 631 konzentriert sich auf Hilfsmittel und Hinweise zur Schnittgrößenermittlung sowie die Bewehrungsermittlung und Nachweisführung für besondere Bauteile und Detailbereiche wie wandartige Träger oder Spalt- und Randzugkräfte unter konzentrierter Teilflächenbelastung. Sämtliche Abschnitte wurden vollständig überarbeitet und um neue Inhalte (z. B. Bemessungshilfen für Flachgründungen) ergänzt. Dabei wurde auch ein allgemeiner Unterabschnitt zur softwaregestützten Ermittlung von Schnittgrößen eingefügt und es wurden in den einzelnen Kapiteln themenspezifisch Hinweise zur Modellbildung und Auswertung von numerischen Berechnungen ergänzt. Die in dem Heft enthaltenen Hilfsmittel basieren auf den Grundlagen von DIN EN 1992 (Eurocode 2) sowie den Nationalen Anhängen (NA) einschließlich aller Änderungen bis zum Jahr 2016.

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Stefan Rack
Formadaptive Tensegrity-Strukturen : ein Beitrag zur numerischen Simulation
Berichte zum Stahl- und Leichtbau, Band 10
Dissertationsschrift
2019, 286 S., graph. Darst. 240 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Obwohl Tensegrity-Strukturen seit ihrer Erfindung vor nahezu 70 Jahren eine ungebrochene Faszination auf Architekten und Ingenieure ausüben, begegnen wir diesen Strukturen in unserer gebauten Umwelt praktisch nie. Ein wesentlicher Grund hierfür liegt in der, im Vergleich zu konventionellen Tragsystemen, großen Nachgiebigkeit dieser Strukturen. Wird für eine Tragwerksaufgabe, für die eine konventionelle Struktur geeignet ist, alternativ eine Ausführung des Tragwerks als Tensegrity-Struktur untersucht, so stellt diese Eigenschaft zumeist einen ausschließenden Nachteil dar. Der erfolgreiche Einsatz von Tensegrity-Strukturen erfordert aus Sicht des Autors einen Perspektivwechsel - nicht trotz, sondern gerade wegen ihrer hohen Nachgiebigkeit bieten diese Strukturen Vorteile gegenüber konventionellen Tragsystemen. Großes Potential sieht der Autor in der Anwendung von Tensegrity-Strukturen zur Erzeugung formadaptiver Gebäudehüllen. In der vorliegenden Arbeit wird ein auf der Kraftdichtemethode basierendes, numerisches Verfahren zur Simulation des Formadaptionsprozesses von Tensegrity-Strukturen vorgestellt.

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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.
Weitere Informationen rund um das Thema Bauforschung finden Sie in unserem
Portal Bauforschung

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Josef Hegger, Marcus Ricker, Viviane Adam, Tânia Feiri, Konstantin Nille-Hauf
Überprüfung der Zuverlässigkeit der für die nächste Generation von EN 1992-1-1 vorgesehenen neuen Bemessungsansätze gegen Durchstanzen ohne Durchstanzbewehrung und Querkraft ohne Querkraftbewehrung
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3393
2022, 98 S., 47 Abb. u. 16 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

In 2021 erfolgten vorbereitende Arbeiten zur Fortschreibung des Eurocode 2 auf europäischer Ebene. Zwischen 09-12/2021 fand der Abstimmungsprozess über den Entwurf von Teil 1-1 statt. In der ersten Jahreshälfte 2022 erfolgt durch die Working Group und die untergeordneten Task Groups die weitere fachliche Bearbeitung der durch die nationalen Spiegelausschüsse eingereichten Kommentare. Hinsichtlich der Bemessung gegen Durchstanzen ohne Durchstanzbewehrung und Querkraft ohne Querkraftbewehrung wurden von der aktuellen Norm abweichende Modelle vorgeschlagen, deren Herleitung auf Basis der Critical Shear Crack Theory (CSCT) erfolgte. Bei der Entwicklung der bisherigen Ansätze (z. B. für DIN08 und EC2/NAD) wurde in Deutschland der empirische Beiwert anhand von Versuchsergebnissen abgeleitet. Dabei wurde ein Zielwert des 5 %-Quantilwerts für das Verhältnis aus Versuchsbruchlast und rechnerischer Last bei Durchstanz- bzw. Querkraftversagen von 1,0 zugrunde gelegt. Im Zuge des vorliegenden Projekts sollen die Versagenswahrscheinlichkeiten für die vorgeschlagenen Bemessungsmodelle mit probabilistischen Berechnungsverfahren ermittelt werden. Ziel ist es, die Bemessungsgleichungen so zu kalibrieren, dass ein ausreichendes Sicherheitsniveau erreicht wird.

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Muhammed Al Koussini, Christoph Butenweg, Norbert Gebbeken
Vergleich der neuen Erdbebenkarten in Deutschland und mit den Anrainerstaaten
Abschlussbericht.
Bauforschung, Band T 3386
2021, 71 S., 66 Abb. u. 13 Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen dieses Forschungsberichts erfolgt ein Vergleich der seismischen Einwirkungen in deutschen Erdbebengebieten nach DIN En 1998-1/NA-2020 mit den Einwirkungsniveaus in den Anrainerstaaten Niederlande, Belgien, Luxemburg, Polen, Tschechien, Österreich, Schweiz, Frankreich, und Italien. Zusätzlich werden Portugal, Italien und Griechenland hinzugezogen, obwohl diese Länder nicht direkt an Deutschland grenzen. Für jedes der genannten Länder erfolgt eine Auswertung der aktuellen normativen Dokumente für die Definition der Antwortspektren und ein Vergleich mit dem neuen Nationalen Anwendungsdokument für Deutschland. Im Anschluss erfolgt die Gegenüberstellung der Erdbebeneinwirkungen in den Grenzbereichen zwischen Deutschland und den Anrainerstaaten sowie ein Vergleich der Antwortspektren im Hinblick auf die Spektralform und die Amplifikationsfaktoren. Den Abschluss des Berichts bildet eine zusammenfassende Beurteilung der Untersuchungsergebnisse.

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Wolfram Jäger, Jürgen Ries, Maik Erler, Peter Schöps
OptiHaP - Umsetzung einer optimierten Prüfung der Haftscherfestigkeit im Mauerwerksbau in Anlehnung an das bisherige europäische Verfahren nach DIN EN 1052-3
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3191
2020, 75 S., 90 Abb. u. 15 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit dem Übergang auf die europäischen Prüfnormen wird die Haftscherfestigkeit nach DIN EN 1052-3 geprüft. Die damit erreichbaren Werte sind etwa um die Hälfte geringer als nach dem bisherigen deutschen Prüfverfahren nach DIN 18555-5. Die Ursachen dafür konnten bisher nicht geklärt werden. Es war im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein geeigneter Versuchsaufbau in Anlehnung an das europäische Prüfverfahren zu testen und weiter zu optimieren. Mit dem Forschungsvorhaben konnten die Unterschiede zwischen dem alten Prüfverfahren nach DIN 18555-5 und dem neuen gemäß DIN EN 1052-3 nach eingehenden Untersuchungen mechanisch und experimentell erklärt werden. Die Ursache liegt in den auftretenden Biegezugspannungen, die das Ergebnis verfälschen. Die Ergebnisse werden der Bauaufsicht und den Normungsgremien zur Verfügung gestellt, um eine Praxiseinführung in Angriff zu nehmen.

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Reinhard Harte, Kirsten Stopp, Nils Müller
Konzeption und Aufbau einer standardisierten Beispieldatenbank für softwaregestützte Tragwerksberechnung in Anlehnung an VDI 6201 für den Einsatz von Statik-Software in BIM-basierten Prozessketten
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3198
2020, 60 S., 22 Abb. u. 2 Tab., 333 S. Anhang, Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Für die vermehrt softwaregestützten Planungsprozesse von Tragwerken, gibt es keine einheitliche und etablierte Evaluierungsmethode zur Überprüfung der Berechnungen. Die Qualität der verwendeten Software soll nun anhand von Evaluierungsbeispielen gesichert werden. Dazu wurde eine standardisierte, nutzergestützte webbasierte Beispieldatenbank konzipiert und eingerichtet. Die Datenbank enthält einen Datenbestand mit Beispielen, die den Anforderungen der VDI 6201 genügen.

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Siham Mittelstedt, Christian Mittelstedt
Globale Stabilität schubweicher anisotroper hochbelasteter Laminat- und Sandwich-Träger unter kombinierter Belastung im Brücken- und allgemeinen Ingenieurhochbau
Abschlussbericht, November 2019.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3210
2020, 334 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Stabilitätsverhalten klassischer isotroper Trägerstrukturen ist insgesamt verstanden und sehr gut beherrschbar. Hingegen besteht hinsichtlich des Stabilitätsverhaltens im Sinne der Verzweigungstheorie schubweicher Träger in Faserverbund-Bauweise eine erhebliche Anzahl offener Fragen, deren Klärung das geplante Vorhaben gewidmet war. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Entwicklung innovativer, schneller und hochgenauer Rechenverfahren, mit deren Hilfe in der Ingenieurspraxis eine globale Stabilitätsanalyse von Faserverbund-Trägern erfolgen kann. Die Analysezugänge berücksichtigen die für solche Strukturen typischen Koppeleffekte und transversalen Schubverformungen explizit. Der letzte Punkt machte die Verwendung höherer Laminattheorien erforderlich, die die Einschränkungen der Klassischen Laminattheorie erweitern. Die Untersuchungen zeigen auf, dass es möglich ist, klassische Berechnungsformeln auch für Faserverbund-Träger zu verwenden, wenn die entsprechenden effektiven Querschnittskennwerte nach der Verbundtheorie angesetzt werden.

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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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Zarrak, Nada
Zur Konstruktion und Berechnung von Fendersystemen
Konstruktiver Ingenieurbau KI, 2022

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Moormann, Christian
Jahresbericht 2021 des Arbeitskreises "Pfähle" der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT)
Bautechnik, 2022

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Krill, Alfred; Zehetmaier, Gerhard
Spannbetonkastenquerschnitte mit Stegspanngliedern und verbundloser Quervorspannung
Bautechnik, 2022

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Stollwitzer, Andreas; Fink, Josef; Mohamed, Ezzat
Verfahren zur Reduktion der Ergebnisstreuung zur Ermittlung realistischer Lehr'scher Dämpfungsmaße von Eisenbahnbrücken - Teil 1: Methoden im Frequenzbereich
Bauingenieur, 2022

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Göttlicher, Manfred
Hybride Berechnung für Kontinua mit festen und flüssigen Eigenschaften in unendlich hohen Hohlkörpern
Bauingenieur, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022