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Simulation concepts for concrete structures with discrete and smeared representation of reinforcement

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[Quelle: http://publications.rwth-aachen.de]

Im letzten Jahrzehnt wurden leichte und tragfähige Strukturen aus zement-basierten Kompositwerkstoffen, die formoptimierte Geometrien und hohe Tragfähigkeiten besitzen, entwickelt und hergestellt. Als Beispiel wurden an der RWTH Aachen nachhaltige Schalentragwerke mit Textilbewehrung konstruiert. Für die realistische Abbildung des Tragverhaltens solcher Tragwerke ist die Entwicklung einer effizienten Modellierung und Bemessungsmethodik benötigt. Die Dissertation zielt auf eine Entwicklung von Modellierungssätzen für die Simulation der Stahl- und Textilbewehrten Betontragwerken ab. Der angewandte Modellierungsansatz besteht aus drei übergeordneten Teilen: (i) Formulierung und Implementierung eines anisotropen schädigungsbasierten Materialmodels mit verschmiertem Rissansatz; (ii) Ermittlung von versagensbasierten Materialparametern unter Benutzung von standardisierten Laborversuchen und Kalibrierungsverfahren; (iii) Validierung des Materialmodels mit Hilfe von Prognosen des Tragverhalten auf Material- und Bauteilebene. Für eine gültige Beschreibung des Verhaltens zwischen Beton und Bewehrung wurden zwei generelle Vorgehensweisen benutzt: (i) Diskrete Darstellung von Stahl- und Textilbewehrten Bauteilen mit der Interaktion des Betons als starrem oder gleitendem Verbund; (ii) Verschmierte Darstellung für fein verteilte Bewehrung wie z.B. kurze Stahlfasern und mehrlagige Textilbewehrung. Der Modellierungsansatz wurde in einem gemeinschaftlichen Forschungsprojekt unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) entwickelt, mit dem Ziel, das Tragverhalten von mit stahlbewehrten Betonbauteilen und mit textilbewehrten Betonschalen zu beschreiben. Die Anwendbarkeit und Validierung des entwickelten Materialmodells in Bezug auf den Rissfortschritt in Beton wurde unter Benutzung von Finite-Elemente Simulationen mit Benchmark-Tests, Laborversuchen und Großversuchen erörtert. Bruchmechanismen wurden unter Zug-, Schub- und kombinierte Schub-Zug Beanspruchung untersucht. Versagensarten wurden für Schalenquerschnitte, die unter kombinierter Zug-Biege-Beanspruchung standen, differenziert und abgebildet, sodass Versagenskriterien auf der Ebene des Querschnittes für die Spannungsresultierenden charakterisiert werden konnten. Für Modelle mit diskret verteilter Bewehrung wurde der Einfluss der Verbundmodellierung in Bezug auf die Abbildung der Schubrisse untersucht. Die Leistungsfähigkeit des Materialmodells für eine realistische Abbildung des Tragverhaltens wurde geprüft und ausgewertet. Das nichtlineare Strukturverhalten von Bauteilen, die eine Spannungsumlagerung aus der Rissbildung in der Matrix zulassen, wurde unter Benutzung der Simulationen von Biegeversuchen und Plattenversuche abgebildet. Es wird gezeigt, dass das Materialmodell eine effiziente und genaue Abbildung der Rissentwicklung und Prognose der Tragfähigkeit ermöglicht. Numerische Simulationen der Großversuche aus textilbewehrten Betonschalen vermittelt ein tieferes Verständnis in das Strukturverhalten des Materials. Weiter Einflüsse, wie der Einfluss von großen Verformungen, anfängliche und Schädigungsinduzierte Anisotropie des Materials, und der kombinierte Einfluss des nichtlinearen Rissverhaltens und von geometrischen Imperfektionen, wurden erfasst.

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Durchstanzen dicker Platten mit symmetrisch reduzierten Experimenten
Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau der Ruhr-Universität Bochum, Band 2021-2
Dissertationsschrift
2021, 189 S., 110 Farbabb. 21 cm, Softcover
Shaker

 

 

In der Arbeit wird ein Experimentalkonzept zur Untersuchung des Durchstanzverhaltens dicker Stahlbetonplatten entwickelt, realisiert und an Versuchen demonstriert. Zur Überwindung der Größenbeschränkungen konventioneller Prüfverfahren nutzt es die Methode der Symmetriereduktion und erweitert einen bestehenden Ansatz auf großmaßstäbliche Probekörper. Die Symmetriereduktion erlaubt es, Abmessungen, Eigengewichte und Prüflasten der Platten entsprechend ihres Symmetriegrads zu verringern, ohne Einfluss auf die Maßstäblichkeit oder den Versagensmechanismus auszuüben. Die zentrale Herausforderung besteht dabei in der Umsetzung der Symmetrierandbedingungen, welche auch für die stark steigenden Anforderungen im Großversuch erfüllt werden müssen. Ein umfangreiches konsekutives Verifikationsprogramm und die Demonstration an dicken Stahlbetonplatten belegen die Funktionalität des Konzepts und weisen auf einen weniger ausgeprägten Maßstabseffekt beim Durchstanzen hin, als es die Theorie vorhersagt.

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Hansgerd Kämpfe
Bewehrungstechnik
Grundlagen - Praxis - Beispiele - Wirtschaftlichkeit
2., Aufl.
2020, xii, 223 S., XII, 223 S. 282 Abb. 24 cm, Hardcover
Vieweg+Teubner

 

 

Das Praxisbuch vermittelt Grundlagen Know-how mit zahlreichen Beispielen und Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Der Autor schließt damit die Lücke zwischen der "grauen" Theorie, dem Handwerk der Bewehrungstechnik und der wirtschaftlichen Betrachtung. Für die 2. Auflage wurden das Kapitel "Statik" erweitert und durch zahlreiche Abbildungen verständlicher gestaltet. Gleiches gilt für das Kapitel "Zeitberechnungen", durch eine Erweiterung wurde es verständlicher gefasst. Das Kapitel Betonstahlgeflechte wurde um den Abschnitt "Geflechte in Tragwerksformen" erweitert.

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Klaus Beer
Bewehren nach DIN EN 1992-1-1 (EC2)
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7., Aufl.
2019, xiii, 320 S., XIII, 320 S. 150 Abb. 240 mm, Softcover
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Das Fachbuch bietet einen übersichtlichen Einblick in die Bewehrung von Stahlbetonbauteilen. Wie viele Rundstähle kommen in einen Balken? In welche Richtung wird eine Q-Matte verlegt? Der Band erklärt, wie der Stahl im Beton verlegt und auch zeichnerisch dargestellt wird. Zahlreiche Tabellen und Beispiele ermöglichen ein schnelles Auffinden der genauen Bewehrungszeichnung. Erweitert wurde die 7. Auflage mit Hinweisen und Erläuterungen zur Bemessung und Konstruktion, Bewehrung einer Einfeldplatte und der Bewehrung von Kragplatten.

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Bernhard Wietek
Stahlbetonerhaltung
Erkennen - Messen - Erhalten
2019, v, 45 S., V, 45 S. 1 Abb. 240 mm, Softcover
Springer

 

 

Stahlbeton ist ein moderner Baustoff, der in allen möglichen Bauwerken angewendet wird. Auf Grund seiner Eigenschaften ist die Gebrauchsdauer für einzelne Bauwerke sehr unterschiedlich. Es wird, ausgehend von den Materialeigenschaften, auf Gefahren hingewiesen und wie diese für den interessierten Kunden erkennbar und auch messbar sind. Die verschiedenen Erhaltungsmethoden zur Verlängerung der Gebrauchszeit werden erläutert. Letztendlich wird auch die übliche Gebrauchszeit für Stahlbeton ohne und mit Erhaltungsmaßnahmen bei den unterschiedlichen Bauwerken und Umwelteinflüssen angegeben.

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Bewehren von Stahlbetontragwerken
nach DIN EN 1992-1-1 mit Nationalem Anhang
2019, 150 S., 91 Tabellen. 23.5 cm, Softcover
Ernst & Sohn

 

 

Die Arbeitshilfen des Instituts für Stahlbetonbewehrung ISB e. V. haben sich bereits seit vielen Jahren als Unterstützung für Ingenieure und Techniker in der täglichen Praxis bewährt. Trotz aller elektronischen Bemessungs- und Konstruktionshilfen ist der Sachverstand weiterhin das wichtigste Werkzeug des Bauingenieurs, um seiner Verantwortung für die technisch beste Umsetzung und den wirtschaftlichen Erfolg eines Projektes gerecht zu werden. Hochwertige Stahlbetonbauteile enthalten die in rechnerischer und konstruktiver Hinsicht ausreichende Menge Bewehrung und geben der Gesamtkonstruktion Sicherheit gegen die bei der Bemessung in Ansatz gebrachten Beanspruchungen. Dabei ist es jedoch unrentabel, wenn Ingenieure die theoretisch letztmögliche Einsparung an Bewehrung zeitaufwändig "herausrechnen". Eine Konstruktion mit wohldurchdachter Bewehrungsführung dankt es dem Tragwerksplaner durch Dauerhaftigkeit und die Aktivierung von zusätzlicher Sicherheit im Katastrophenfall. Erhebliches Einsparpotential liegt im Bauablauf, denn übersichtlich konstruierte Bewehrung erleichtert die Biegearbeiten und das Verlegen und verhindert Verwechslungen. Eine möglichst geringe Anzahl von Positionen trägt zur Kostenminimierung bei. Dieses Buch ist im Zuge der Weiterentwicklung der Normung fortlaufend aktualisiert worden.

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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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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.,
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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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Matthias Pahn, Christian Caspari
Lückenforschung Faserkunststoffbewehrung (FKB)
Untersuchung des Langzeitverbundverhaltens von Bewehrung aus faserverstärktem Kunststoff
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3227
2021, 127 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Dauerhaftigkeit von Stahlbeton ist maßgebend abhängig vom Korrosionswiderstand des Betonstahls. Der Korrosionsschutz wird durch die hohe Alkalität des umgebenden Betons gewährleistet. Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Temperatur, Luft- und Wasserverschmutzungen sowie chemische und biologische Medien können die Alkalität des Betons beeinflussen und die Dauerhaftigkeit von Stahlbeton herabsetzen. Durch die hohe Beständigkeit gegen aggressive Medien bietet die nichtmetallische Faserkunststoffbewehrung (FKB) eine Lösungsmöglichkeit für Bauteilschäden infolge Stahlkorrosion. Speziell Bauwerke die einem hohen Korrosionsrisiko unterliegen, eröffnet sich durch den Einsatz einer nichtmetallischen Bewehrung ein hohes Potential diese als dauerhafte und wartungsarme Betonkonstruktionen auszuführen.

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C.-A. Graubner, Tilo Proske, Sebastian Hofmann
Entwicklung von basaltbewehrten Deckenplatten für den Wohnungsbau
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3244
2021, 135 S., zahlr. Abb. u. Tab.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Infolge von Bewehrungskorrosion entstehen oftmals Schäden an Stahlbetonbauteilen, was aufwändige Sanierungsmaßnahmen erforderlich macht. Durch die Verwendung nichtrostender Basaltfaserverbundkunststoffbewehrung, können diese Schäden vermieden werden. Um diesen Bewehrungstyp in der Baupraxis und insbesondere im Wohnungsbau anwenden zu können, sind genaue Kenntnisse des Bauteiltragverhaltens von Betonbauteilen mit dieser Bewehrung erforderlich. Da die Basaltfaser aus ökologischen und ökonomischen Aspekten großes Potential zur Anwendung in FVK-Werkstoffen und aufgrund der physikalischen Eigenschaften auch als Bewehrungsmaterial aufweist, wurde in diesem Forschungsprojekt deren Anwendung in Deckenbauteilen aus Beton für den Wohnungsbau erforscht.

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Oliver Fischer, Dirk Volkmer, Philipp Lauff, Manuel Hambach, Matthias Rutzen
Zementgebundener kohlenstofffaserverstärkter Hochleistungswerkstoff (Carbonkurzfaserbeton)
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3178
2019, 109 S., 69 Abb. u. 29 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Seit längerem gibt es intensive Bestrebungen, den volkswirtschaftlich außerordentlich bedeutsamen Verbundwerkstoff Stahlbeton weiterzuentwickeln und dazu vor allem die Zugfestigkeit von Beton zu erhöhen. Mit dem an der Universität Augsburg entwickelten Herstellungsverfahren, bei dem die Ausrichtung beigemischter Kohlenstofffasern durch eine Düse gezielt eingestellt werden kann, ist es gelungen, mit handelsüblichen Ausgangsstoffen und im Grunde praxisgerechten Verfahren eine signifikante Erhöhung des Verhältniswertes von Zug- und Druckfestigkeit bei Zementsteinproben zu erreichen. In den Untersuchungen zur Materialentwicklung konnte gezeigt werden, dass die hohen Festigkeiten der faserverstärkten Prüfkörper auch mit kürzeren Fasern erreicht werden können und somit besser verarbeitbare Mörtel gleicher Festigkeit herstellbar sind. Ein sowohl preisliches als auch in der Ökobilanz günstigeres System konnte ohne Festigkeitsverlust realisiert werden, indem teure neuwertige Fasern durch günstigere Recyclingprodukte ersetzt wurden.

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Oliver Fischer, Nicholas Schramm, Jörg Jungwirth
Nachhaltiges Bauen mit vorgespannten Tragelementen aus ultrahochfestem Beton (UHPC); Anwendung für Parkhäuser. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3104
2018, 332 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ultrahochfester faserbewehrter Beton birgt sowohl in wirtschaftlicher als auch in ökologischer Hinsicht große Potentiale für den Fertigteilbau. Mit Hilfe dieses innovativen Werkstoffs können gegenüber üblichen Betonbauweisen der Ressourcenverbrauch und die Eigenlasten deutlich reduziert werden, während sich gleichzeitig die Dauerhaftigkeit erhöht. Der Parkhausbau stellt somit ein ideales Anwendungsgebiet für den vielversprechenden Werkstoff dar. Mit dem Forschungsvorhaben konnten die Vorteile von ultrahochfestem faserbewehrten Beton, wie z.B. die exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften sowie die Reduktion von Eigengewicht, für eine Anwendung im Parkhausbau aufgezeigt werden. Das entwickelte Tragsystem aus vorgespannten Längsträgern und filigranen Plattenelementen weißt dabei, bei gleichbleibender Tragfähigkeit, extrem geringe Querschnittsabmessungen auf. Dadurch und aufgrund des entwickelten Fügeprinzips ohne Anschlussbewehrung und Beschichtungen ergäben sich erhebliche Vorteile bei der Verlegung. Aufgrund der exzellenten Dauerhaftigkeitseigenschaften kann auf jegliche (im Parkhausbau übliche) Beschichtungen verzichtet 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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Höller, Stefan
Einsatz der Betonbauweise mit durchgehender Bewehrung - Aktueller Stand und geplante Aktivitäten in Deutschland
Straße + Autobahn, 2022

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Ayoubi, Mazen; Sobotta, Sacha
Memory steel connectors for carbon-reinforced concrete components (kostenlos)
BFT International, 2022

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Rauch, Fabian; Fischer, Oliver
Structural monitoring of segmental tunnel linings: Toward safer and more resource-efficient tunnels (kostenlos)
Civil engineering design, 2022

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Spyridis, Panagiotis; Hufelschulte, Franziska; Mellios, Nikolaos
Einfluss der Stahlfaserbewehrungsarten auf den Betonversagenswiderstand von Befestigungen
Beton- und Stahlbetonbau, 2022

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Jäppelt, Ulrich; Rother, Roland; Thaden, Harald von
Grundinstandsetzung Wehr Geesthacht an der Elbe
Bautechnik, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022