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Optimization-based design of structural concrete using hybrid reinforcements

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[Quelle: http://d-nb.info]

This work focuses on making the method of topology optimization more readily available for practical application in structural engineering and to fully integrate it into the design process in order to provide reliable, qualitatively and quantitatively ready-to-use reinforced concrete (RC) concepts. To achieve this goal, this thesis is divided into two main parts. The first part focuses on the development of a topology optimization approach tailored to RC design. The approach is based on combined truss–continuum topology optimization (TCTO), which couples continuum- and truss elements in a single analysis model for a better representation of RC behavior. The methodology is advanced to facilitate optimization results that follow engineering theory and allow the consideration of steel fiber- and hybrid steel fiber–rebar reinforcements as well as robust multi-load optimization by including exclusive load case combinations. The second part of the thesis is devoted to the practical application and experimental validation of the newly devised optimization methodology at the example of segmental tunnel lining longitudinal joints. The experiments comprise four individual series, which focus on the enhancement of the joint by employing various reinforcement- and material concepts: low-deformation, welded rebar cages; steel fibers with and without modification of their orientation; hybrid steel fiber–rebar configurations; and hybrid material schemes that combine standard materials and localized, high-performance steel fiber-reinforced concrete additions. The results provide insights into the load-bearing behavior of concrete elements under partial area strip loading and segmental lining longitudinal joints, which are subsequently transferred into practical design recommendations.

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Bücher, Broschüren

Begrenzung der Rissbildung im Stahlbeton- und Spannbetonbau. Hintergründe und Erläuterungen zum DBV-Merkblatt
DBV-Heft, Band 38
Fassung Dezember 2019.
2020, 124 S., Softcover

 

 

Das DBV-Heft 38 erscheint als Ergänzung zum DBV-Merkblatt ?Begrenzung der Rissbildung im Stahlbeton- und Spannbetonbau?. Während das Merkblatt geeignete planerische Entwurfsgrundsätze definiert und Hinweise zur wirkungsvollen Verteilung der Risse und zur Begrenzung ihrer Breite gibt, stellt dieses ergänzende DBV-Heft 38 vertiefend einige Hintergründe zur Thematik der Rissbeherrschung dar. Es enthält weitere Hinweise, Empfehlungen und Beispiele über die des Merkblatts hinaus ? insbesondere zur Tragwerksplanung.

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Sascha Hickert
Fabrik Formwork
Mechanik, Werkstoffe und Konstruktion im Bauwesen, Band 58
Entwicklung und Bewertung eines textilen Schalungssystems
2020, 334 S., 61 SW-Abb., 258 Farbabb. 240 mm, Softcover
Springer

 

 

Unter Fabrik Formwork versteht man die Herstellung von Schalungen aus einem handelsüblichen zweidimensionalem Textil. Das Problem der Bauwirtschaft in der Herstellung und dem Streben der Gestalter nach immer spektakuläreren geometrischen Baukörpern inspirierte den Autor dieses Buches dazu, die etablierte Schalung für Betonbauteile anders zu denken. Je komplexer die Geometrie, desto schneller gelangen konventionelle Schalungssysteme an ihre Grenzen, sodass Alternativen gesucht werden müssen. Etablierte Schalungssysteme weisen ein meist rigides, wenig duktiles Verformungsverhalten auf, was den Wunsch nach individuellen Bauteilkonturen stark einschränkt. Um diesen Umstand aufzubrechen wurden in dem Buch die Grundlagen und die Anforderungen an etablierte Schalungssysteme untersucht und eine neuartige weitaus flexiblere Schalungsmethode zu entwickeln bzw. zu erproben. Kurz: aus einem zweidimensionalen Material wird ein dreidimensionaler Baukörper. In zahlreichen, meist experimentellen Versuchsaufbauten wird diese Methode vorgestellt, untersucht und bewertet. Die durchgeführten Versuche, die Realisierung von zum Teil freigeformten Prototypen mit Hinterschneidungen in der Geometrie und die Bewertung der textilen Schalung zeigen ein erhebliches Potenzial in der Entwicklung des neuen Typus Schalung für Betonbauteile auf und das sowohl konstruktiv wie auch gestalterisch.

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Klima, Risse und Co. - Betonbau im herausfordernden Umfeld : 16. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung, Karlsruher I
2020, 80 S., graph. Darst. 297 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Im Zuge einer sich ständig wandelnden Umwelt verändern sich auch die Anforderungen, denen die Betonbauweise ausgesetzt ist. Steigende Temperaturen in den Sommermonaten, andauernde Hitzeperioden oder eine Zunahme von Extremwetterereignissen stellten die am Bau Beteiligten in den letzten Jahren vor immer größer werdende Herausforderungen. Zum einen können Risse durch frühen Zwang und eine schlechtere Verarbeitbarkeit des Frischbetons infolge hoher Temperaturen die Betonbauqualität reduzieren. Zum anderen führt das Nichteinhalten normativ geforderter Frischbetontemperaturen häufig zu Rechtsstreitigkeiten. Zielsetzung des 16. Symposiums Baustoffe und Bauwerkserhaltung ist es, Ihnen einen Überblick über diese Entwicklungen zu geben und diese hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die zukünftige Betontechnologie sowie das zukünftige Bauen mit Beton zu bewerten. Das Programm der Veranstaltung beginnt mit einer Einführung von Seiten der Klimaforschung, in welcher klimatische Entwicklungen auf globaler und regionaler Ebene beleuchtet werden. Anschließend wird die Bedeutung dieser Entwicklungen für die verschiedenen Beteiligten der Baubranche erläutert. In weiteren Vorträgen werden bisher gewonnene Erfahrungen von Seiten der Planer und Bauunternehmer vorgestellt. Es wird auf normative, technische und bauvertragliche Grundlagen eingegangen. Zudem wird der Einfluss erhöhter Temperaturen auf die Eigenschaften des Zements und der Betonzusatzmittel erläutert. Abschließend werden Lösungsvorschläge für das Betonieren bei hohen Temperaturen vorgestellt.

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Ressourceneffizienter Beton - Zukunftsstrategien für Baustoffe und Baupraxis : 15. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhal
2020, 90 S., graph. Darst. 297 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Mit der wirtschaftlichen Lage der Bauindustrie geht auch der notwendige Bedarf an Baustoffen einher. Der steigenden Nachfrage bei Baustoffen, wie dem Beton, steht zurzeit eine Verknappung der regionalen Rohstoffverfügbarkeit gegenüber. Um dem steigenden Bedarf im Betonbau gerecht zu werden, sind Lösungen für einen ressourceneffizienteren Beton erforderlich. Mit dem effizienten Einsatz von Baurohstoffen kann die Nachhaltigkeit mit einer ökonomischen Effizienz kombiniert werden. Eine nachhaltige Nutzung von Bauwerken sollte bereits beim Einsatz der Baurohstoffe beginnen. Zielsetzung des 15. Symposiums Baustoffe und Bauwerkserhaltung ist es, Ihnen einen Überblick über diese Entwicklungen zu geben und sie hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die zukünftige Betontechnologie sowie dem zukünftigen Bauen insgesamt zu bewerten. Das Programm der Veranstaltung beginnt mit einer politischen Bewertung des ressourceneffizienten Betonbaus sowie zukünftigen politischen Strategien. Eine Beurteilung erfolgt sowohl auf regionaler als auch auf internationaler Basis. Hierbei wird mit dem THINKTANK "Industrielle Ressourcenstrategien" eine Kombination aus wissenschaftlichen und industriellen Aspekten vorgestellt. Das Potential einer ökologischeren und ökonomischeren Betonbauweise wird im dritten Themenblock adressiert und zeigt Veränderungen der Zementzusammensetzung und der Betontechnologie für nachhaltige Lösungen auf. Die Umsetzung wird am Beispiel der Lean Construction Bauweise ausgeführt. Die baupraktische Umsetzung wird anhand von Anpassungen im Regelwerk sowie an Praxisbeispielen vorgestellt.

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Beton-Kalender 2021, 2 Teile
Beton-Kalender
Schwerpunkte: Fertigteile; Integrale Bauwerke (2 Teile)
2020, XXXVIII, 1246 S., 1047 SW-Abb., 215 Tabellen. 210 mm, Hardcover
Ernst & Sohn

 

 

Das Thema Nachhaltigkeit, der bewusste und schonende Umgang mit Ressourcen bei Neubau und dem Bauen im Bestand werden im Beton-Kalender 2021 unter dem besonderen Blickwinkel des Bauens mit Fertigteilen und des Ertüchtigens beleuchtet. Neben aktualisierten Beiträgen zur Lebensdauerbemessung, den Grundlagen zum Bauen mit Betonfertigteilen im Hochbau und der Holz-Beton-Verbundbauweise wird speziell auf die Resourceneffizienz beim Bau mit Betonfertigteilen eingegangen. Hierbei geht es um innovative Ansätze für Entwurf, Fügetechniken und Herstellungstechnologien (einschl. Automatisierung). In diesem Zusammenhang ist auch die Elementbauweise mit Gitterträgern zu nennen, welche ihrerseits die Vorteile der Vorfertigung mit der Flexibilität der Ortbetonbauweise vereint. Zum Thema Nachhaltigkeit gehört auch der schonende Umgang mit Bestandsbauwerken. Im Beton-Kalender wird hierzu die Verstärkung von Betonbauteilen mit geklebter Bewehrung und mit Schraubverbindungen aufgegriffen. Neben einem aktualisierten Beitrag zu geklebten Verstärkungen mit CFK-Lamellen und Stahllaschen mit Erläuterungen und Beispielen wird die DAfStb-Richtlinie "Verstärken von Betonbauteilen mit geklebter Bewehrung" abgedruckt.Unter dem Schwerpunkt "Integrale Bauwerke" fasst der Beton-Kalender den aktuellen Stand des Wissens für diese Bauweise für Brücken und Tragwerke im Hochbau zusammen. Eine Reihe von Beiträgen widmet sich neuartigen Betonen und deren Einsatzmöglichkeiten im Hinblick auf Neubau und Ertüchtigung, wie z.B. dem UHPC, Stahlfaserbeton und dem Infraleichtbeton.

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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

Anmeldung zum Informationsdienst Bauforschung aktuell

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Daniel Schmeer, Benjamin Schönemann, Olga Arkhipkina, Walter Haase, Harald Garrecht, Oliver Sawodny, Werner Sobek
Entwicklung einer ökologischen und ökonomischen Bauweise durch den Einsatz vorgefertigter multifunktionaler Wandbauteile aus gradiertem Beton
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3194
2020, 130 S., 96 Abb. u. 37 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Bauwesen steht vor der Herausforderung, für mehr Menschen mit weniger Materialaufwand mehr zu bauen. Dies erfordert die Entwicklung neuer Technologien, die auf ein möglichst leichtes Bauen, die Minimierung des Verbrauchs an fossil erzeugter Energie sowie der vollständigen Rezyklierbarkeit der Bauteile abzielen. In diesem Kontext bestand das Ziel des Forschungsvorhabens in der Entwicklung von rein mineralischen, multifunktional gradierten Wandbauteilen, welche in der Lage sind, die Anforderungen an die Tragfähigkeit, die Dauerhaftigkeit, das architektonische Erscheinungsbild sowie den Wärmeschutz zu erfüllen. Eine deutliche Massenersparnis, eine signifikante C02-Reduktion sowie eine sortenreine Rezyklierbarkeit gegenüber herkömmlichen Massivbauteilen sollten erzielt werden. Das Ziel des Forschungsprojektes konnte durch die Entwicklung von rein mineralischen multifunktional gradierten Wandbauteilen, welche den tragstrukturellen und bauphysikalischen Anforderungen gerecht werden, erreicht werden. Hierzu konnten sowohl die Berechnungsansätze auf der Basis normativer Regelungen formuliert und validiert werden, als auch die zielführenden Verfahren zur Bauteilherstellung identifiziert und weiterentwickelt werden. Zum Abschluss des Projektes konnte mit der Technologie eine Masseneinsparung von rund 60 % gegenüber Massivwänden mit Wärmedämmverbundsystem erzielt werden, bei vergleichbaren Baukosten. In nachfolgenden Projekten gilt es die erzielten Lösungen final zu erforschen und weiterführende Versuche durchzuführen, um die Technologie letztlich praxisreif zu machen.

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Wolfram Jäger, Angelika Mettke, Hassan Youssef, Stephanie Schmidt, Viktoria Arnold, Christian Matthes, Jakob Fischer
Entwicklung und Anwendung von komplett demontablen Wohneinheiten aus ressourcenschonendem Beton - RC-WE-Modul
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3192
2020, 297 S., 291 Abb. u. 36 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Demonstration einer massiven, modularen, transportablen und voll demontablen/recyclinggerechten Wohneinheit für die schnelle Bereitstellung von Wohnraum und ggf. temporären Unterkünften, die am Ende ihrer Nutzungszeit umsetzbar sind. Dabei waren die Anforderungen der Next-Generation-Buildings zu erfüllen und Stoffkreisläufe nach dem Prinzip Cradle to Cradle (kreislaufgerechtes Bauen auf Bauteilebene) zu schließen, d. h. flexibel (schnell, demontierbar, anpassungsfähig etc.), schadstofffrei und ressourcenschonend mit System (modulare Bauweise) zu bauen. Dazu gehören die sortenreine Trennbarkeit und die Wiederverwendbarkeit ganzer Bauteile des Rohbaus sowie deren nachhaltige Herstellung durch die Nutzung von Recyclingmaterial. Einmal hergestellt, befinden sich ganze Module im Nutzungskreislauf ohne eine Zerstörung am Nutzungsende. Daher wird mit der Wiederverwendungsoption ein Beitrag zur Werterhaltung geleistet (Upcycling). Bei dem Projekt standen die Erprobung der erarbeiteten Grundlagen und die Optimierung von wiederholbaren, adaptiven Konstruktionslösungen sämtlicher Gebäudeteile im Mittelpunkt.

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Lars Meyer, Serdar Bilgin, Sebastian Filusch, Thomas Freimann, Ulli Heinlein, Knut Herrmann
Bauwerksabdichtung mit Frischbetonverbundfolie - Grundlagen zur Erstellung eines Regelwerks für eine innovative Bauart
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3183
2020, 249 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Frischbetonverbundsysteme (FBVS) werden in Deutschland i. d. R. als zusätzliche wasserseitige Abdichtungsebene auf wasserundurchlässigen Stahlbetonkonstruktionen (WU-Betonkonstruktion) angeordnet. Diese Form der Bauwerksabdichtung wird in Deutschland vermehrt seit 2012 eingesetzt und ist als neue Bauart bisher keinen Regelwerken zuzuordnen. Zum einen werden die FBVS i. d. R. nicht als eigenständige Abdichtung nach DIN 18533 angesehen, zum anderen werden sie derzeit nicht in der DAfStb-Richtlinie "Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton" behandelt. Der Verwendbarkeitsnachweis wurde bisher über allgemein bauaufsichtliche Prüfzeugnisse (abP) erbracht, der allerdings nicht auf einheitlichen Prüfgrundsätzen beruhte. Wesentliche Merkmale verschiedener Produkte können daher nur schwer miteinander verglichen werden. Neben diesen Unklarheiten zur Vergleichbarkeit von Produkten sind am Markt nach wie vor zahlreiche Planungs- und Anwendungsfragen zur Bauart vorhanden.

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Matthias Pahn, Dirk Bayer, Sven O. Krumke, Christian Caspari, Tillman Gauer, Dirk Miguel Schluppkotten, Michael Holzhauser, Torsten Weiler
Großdemonstrator - Multifunktionale Betonfertigteile für energetisch nutzbare Gebäudetragstrukturen. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3135
2019, 100 S., 64 Abb. u. 28 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Entwicklung und Umsetzung des Großdemonstrators Smallhouse IV. Hierbei wird ein Gebäudeenergiekonzept erarbeitet, welches die Gebäudemasse aktiv zur Wärmespeicherung heranzieht. Ähnlich wie in Solaraktivhäusern soll die gesamte Wärmebereitstellung mittels einem minimalen primärenergetischen Bezug gewährleistet werden. Hierfür soll jedoch die solare Wärme nicht in überdimensionalen Wasserspeichern, sondern in der vorhandenen Gebäudemasse gespeichert werden. Zu diesem Zweck werden thermisch aktivierte Betonfertigteile entwickelt, die neben ihren statischen Aufgaben auch die thermischen Funktionen Wärmedämmung, Wärmespeicherung und Temperierung übernehmen. Diese Bauteile werden als multifunktionale Betonfertigteile bezeichnet.

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Holger Falter, Volker Schmid, Jonas Schmidt, Tobias Nettekoven
Entwicklung eines modularen Fachwerkträgers aus HPC-Fertigteilen und gezahnten Hochleistungs-Verbindungsdetails. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3088
2019, 220 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Große Betonfertigteile lassen sich entweder gar nicht oder nur mit großem Aufwand transportieren. Daher werden hochbeanspruchte Verbindungen im Stahlbetonbau noch monolithisch vor Ort betoniert. Dies ist mit einem großen Platzbedarf, einer aufwändigen Baustelleneinrichtung und großen Herausforderungen zur Sicherstellung der Qualität, bedingt durch Witterungseinflüsse auf der Baustelle, verbunden. Es wird ein weitspannender, modularer Referenzfachwerkträger aus Hochleistungsbeton entworfen, dessen einzelne Elemente mit Hilfe einer innovativen Verbindungstechnologie einfach hergestellt und effizient gefügt werden können. Der Entwurf des modularen Referenzfachwerkträgers umfasst Studien zur Geometrieoptimierung, zu Segmentverbindungen, zum Montagekonzept und den Bauzuständen, zum Brandschutz und zur Dauerhaftigkeit. Die daraus resultierenden Anforderungen liefern die Grundlage zur Entwicklung der Verbindung.

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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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Urbane Stadtwildnis. Wien (kostenlos)
Zement Beton, 2021

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Kotzan, Holger
Perfekte Kombination. Wohnhauserweiterung in Berlin (kostenlos)
Baukultur, 2021

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Albus, Jutta; Hollmann-Schröter, Kirsten
Hybrid-Beton - Nachhaltigkeitspotentiale durch ganzheitliche Planungsstrategien für multifunktionale Systemkomponenten (kostenlos)
DBZ Deutsche Bauzeitschrift, 2021

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Gary, Gisela
Leistbar grün wohnen. Wien (kostenlos)
Zement Beton, 2021

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Burger, Joris; Lloret-Fritschi, Eno; Gramazio, Fabio; Kohler, Matthias
Eggshell. Ultra-thin 3D printed formwork for concrete structures
CPT worldwide, 2021

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