Simulation des rheologischen Verhaltens von zementgebundenen Feinkornsystemen

Basierend auf eigenen Fließ- und Füllversuchsreihen und vergleichenden 2D- und 3D-Simulationen wurde ein Verfahren zur numerischen Simulation des Fließ- und Füllverhaltens von zementgebundenen Feinkornsystemen mit und ohne Stahlfasern entwickelt bzw. weiterentwickelt. Das stark zeit- und scherratenabhängige rheologische Verhalten dieser Feinkornsysteme wurde mit einem Rotationsrheometer anhand speziell entwickelter Messprofile untersucht und mittels eines geeigneten Modells abgebildet. Im Rahmen von Parameterstudien und Vergleichen der experimentellen Ergebnisse der durchgeführten Haegermann- und L-Box-Versuche mit denen der Simulation wurden Simulationsparameter und -modelle angepasst und validiert. Das Fließ- und Füllverhalten der untersuchten Feinkornsysteme konnte dadurch mit der verwendeten Software-Plattform „Complex Rheology Solver“ (CoRheoS) zufriedenstellend beschrieben werden. Darüber hinaus wurde die Orientierung von Stahlfasern mithilfe einer bi-direktionalen Kopplung der Gleichungen für das Fließverhalten der Feinkornsysteme mit denen für die Faserorientierung qualitativ gut wiedergegeben.A numerical simulation procedure for the flow and form filling behaviour of cement-based fine grain systems with and without steel fibres was developed based on specifically performed series of flow and filling tests and comparative 2D- and 3D-simulations. The time- and shearrate-dependant behaviour of the fine grain systems was represented by a suitable model based on investigations using a rotational rheometer and applying specifically developed measuring profiles. The numerical simulation was based on this rheological behaviour. Parameter studies and their evaluation by comparison to results of Haegermann and L-Box experiments were used to adjust and validate simulation parameters and simulation models. Thus, the flow and form filling behaviour of the investigated fine grain systems could be described sufficiently with the software platform “Complex Rheology Solver” (CoRheoS). The description of steel fibre orientation by means of a bi-directionally coupling of the equations for flow behaviour of fine grain systems and those for fibre orientation was fairly good

A Reliability-Oriented Assessment Of Existing Reinforced And Prestressed Concrete Structures

Die Bewertung bestehender Bauwerke aus Stahlbeton und Spannbeton wird aufgrund der Altersstruktur des Bauwerksbestandes zunehmend bedeutsamer. Wesentliche Kriterien sind dabei die Aspekte der Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit, die die Anforderungen hinsichtlich einer ausreichenden Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit auf eine bauwerksspezifisch definierte Nutzungsdauer erweitert. Zur Durchführung der Bewertung wird ein zuverlässigkeitsorientiertes Konzept vorgestellt, welches die Bewertung von bestehenden Bauteilen und Bauwerken aus Stahlbeton und Spannbeton in einem mehrstufigen Aufbau auf Basis probabilistischer Grenzzustandsanalysen ermöglicht. Gegenüber dem Neubau von Bauwerken besteht bei der Bewertung von Bauwerken im Bestand die Möglichkeit, Vorinformationen (z. B. hinsichtlich der Ausführungsqualität) zu integrieren. Hierzu werden Möglichkeiten aufgezeigt, mit denen wesentliche Kenntnisse über ein bestehendes Bauwerk abgeleitet und insbesondere erforderliche Parameter für eine zuverlässigkeitsorientierte Bewertung abgeschätzt werden können. Erweiterte Methoden zur Zustandsbewertung werden entwickelt, die eine besondere Bedeutung innerhalb des verfolgten Bewertungskonzeptes einnehmen. Hierzu gehören die konsistente Lebensdauerprognose, die Möglichkeiten zur Integration der Vorinformationen in Zuverlässigkeitsanalysen, der Ansatz von Modellunsicherheiten in Abhängigkeit der Güte des Bemessungsmodells bzw. des Kenntnisgrades hinsichtlich der verwendeten Baustoffeigenschaften bzw. des baulichen Erhaltungszustandes des Tragwerkes und die Möglichkeiten zur genaueren Erfassung und zeitabhängigen Modifikation der Lasteinwirkungen. Abschließend wird die Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit dieses Bewertungskonzeptes an unterschiedlichen, für bestehende Bauwerke typischen Beispielen aufgezeigt.The significance of an assessment of existing reinforced and prestressed concrete structures will increase considerably due to their age distribution. In this context the aspects of loading capacity, serviceability and durability, which expands the requirements of a sufficient loading capacity and serviceability towards a structure specific service life, can be viewed as fundamental criteria. In order to perform an assessment a reliability-oriented concept is introduced, which allows for the evaluation of existing structural components and structures taking into account probabilistic limit-state analyses within a multi-level structure. Compared to the new construction of buildings the evaluation of existing structures offers the possibility to incorporate advance information, for example concerning the quality of construction. In the course of this study possibilities to deduce substantial information about an existing structure and, expecially, to estimate necessary parameters for a reliability-oriented assessment are illustrated. Advanced methods of condition assessment are developed, which play a major role within the presented assessment concept. These include a consistent prediction of life time, incorporation of advance information in reliability analyses and possibilities for a more detailed assessment and time dependant modification of load effects. Finally the practical use and the efficiency of the assessment concept are demonstrated

Systemanalyse und Regelung des Modularen Multilevel Matrix Umrichters als Antriebsumrichter

In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige transformierte Netzwerk- und Zweigleistungsanalyse für den Modularen Multilevel Matrix Umrichter (M3C) vorgestellt und in ein universelles, ganzheitliches und von der Zellenzahl pro Zweig unabhängiges Regelungskonzept zur Speisung von Drehstrommaschinen umgesetzt. Hinzu kommt ein experimenteller Nachweis der Leistungsfähigkeit des implementierten Regelungskonzepts mit einem selbst aufgebauten M3C-Laborprototypen mit fünf Zellen pro Zweig

Design of reinforced concrete structural elements under concentrated loading with consideration of cracking

Zur Bemessung und konstruktiven Auslegung von teilflächenbelasteten Betonbauteilen stehen in der Fachliteratur unterschiedliche Modellansätze und Empfehlungen zur Verfügung. Diese basieren überwiegend auf Ergebnissen von Untersuchungen an ungerissenen bzw. unbewehrten Körpern. Eine detaillierte Untersuchung teilflächenbelasteter Stahlbetonbauteile erfordert die Betrachtung im gerissenen Zustand. Die angestellten Untersuchungen konzentrieren sich daher auf die Einflüsse der Rissbildung und konstruktiven Durchbildung auf die Spaltzugbeanspruchungen sowie die erreichbaren Grenztragfähigkeiten. Im Rahmen der Analysen werden ebene und räumliche Fälle der Teilflächenbelastung von Bauteilen aus bewehrtem Normalbeton betrachtet. Hierzu werden experimentelle Untersuchungsergebnisse aus der Fachliteratur in einer Versuchsdatenbank zusammengefasst und analysiert. Darauf aufbauend erfolgen vertiefende Untersuchungen zur Erstrissbildung in teilflächenbelasteten Bauteilen, durch die eine Mindest-Spaltzugbewehrung abgeleitet wird. Zur Analyse der Auswirkungen der Spaltrissbildung auf die Spaltzugbeanspruchungen in gerissenen Bauteilen werden numerische Berechungen durchgeführt. Hierzu kommen Finite-Elemente-Modelle zur Anwendung, mit denen verschiedene Steifigkeitszustände im Krafteinleitungsbereich abgebildet werden. Die Ergebnisse ermöglichen die Ableitung von Ansätzen zur Bestimmung der steifigkeitsbezogenen Spaltzugkraft. Zur Bewertung verschiedener konstruktiver Durchbildungen werden nichtlineare numerische Berechnungen genutzt. Nach der Zusammenstellung der Grundlagen und der Kalibrierung der Modelle erfolgt eine Parameterstudie an Scheiben und Prismen unterschiedlicher Ausbildung. Die Berechnungsergebnisse münden in einen Vorschlag für eine verbesserte Bewehrungsanordnung im Krafteinleitungsbereich. Abschließend werden die Ergebnisse der Untersuchungen in Vorschlägen zur Bemessung und konstruktiven Durchbildung zusammengefasst.Different model approaches and recommendations for the design and reinforcement detailling of concrete structural elements under concentrated loadings are given in technical literature. These are mainly based on results of investigations of uncracked respectively unreinforced elements. A detailed investigation of reinforced concrete structural elements under concentrated loadings requires the consideration of cracked conditions. Thus the carried-out investigation concentrates on the influence of cracking and reinforcement detailing on the splitting stresses and the obtainable load-bearing capacity. Within the analysis plane and spatial cases of concentrated loadings for structural members made of reinforced normal strength concrete are considered. For this purpose results of experimental testing from technical literature are summarized in a database and analyzed. After that detailed investigations concerning the first crack state in structural elements under concentrated loadings are carried out and an approach for the minimum splitting reinforcement is derived. For the analysis of the influence of split cracking on the splitting stresses in cracked structural members numerical calculations are used. Herein finite-element models are applied which consider different stiffness states in the force transmission zone. With the results approaches for the determination of the stiffness depending splitting stresses are derived. For the evaluation of different reinforcement detailings nonlinear numerical calculations are applied. After summarization of basics and calibration of model parameters studies on plates and prisms with different reinforcement detailings are carried out. The results lead to a proposal for an improved reinforcement arrangement in the force transmission zone. Concluding, the results of the investigation are combined in proposals for design calculations and reinforcement detailings

Leicht bauen mit Beton: Forschung im Schwerpunktprogramm 1542, Förderphase 1

Vor 42 Jahren veröffentlichte der Club of Rome das Buch „Die Grenzen des Wachstums". In der Studie wurde ein Szenario entworfen, das sich ereignen könnte, wenn wir unser Verhalten auf globaler Ebene nicht änderten. Ich war 16 Jahre alt und habe das Buch förmlich verschlungen. 40 Jahre später erschien der Bericht „2052 – Eine globale Prognose für die nächsten 40 Jahre“. Seine Lektüre hat mich nicht minder gefesselt. Nach wie vor und mit kaum weniger Schärfe und Deutlichkeit stehen die Themen globale und Generationengerechtigkeit im ökologischen, ökonomischen und sozialen Sinne auf der Agenda der Menschheit. Gefragt sind langfristige Perspektiven für eine Entwicklungspolitik, die zugleich umweltschonend ist. Nachhaltigkeit – ein Prinzip, das erstmals 1713 von dem Sachsen Hans Carl von Carlowitz schriftlich formuliert wurde – gehört heute zur Vision und Philosophie fast jedes Unternehmens, prägt Wissenschaft und Bildung. Wollen wir unseren ökologischen Fußabdruck auf der Erde eingrenzen, müssen wir mit ihren Ressourcen schonender umgehen, die CO2- Emission senken, andere Wege gehen. Die Bedeutung einer nachhaltigen Entwicklung als Leitbild für die Zukunft ist international unbestritten. Das Bauwesen gehört weltweit zu den wachstumsstärksten Branchen und nimmt eine besondere Stellung ein, weil es wesentliche Bedürfnisse des Menschen wie Wohnen und infrastrukturelle Ansprüche befriedigt. Damit verbunden sind große wirtschaftliche und für die Umwelt relevante Aufwendungen. Umweltschutz im Bauwesen impliziert oft ökologisches Bauen, Sparen von Heizenergie oder den Einsatz von Materialien, die die Gesundheit der Bewohnerinnen und Bewohner nicht gefährden. Doch die ökologische Bedeutung des Bausektors erwächst vor allem aus dem Verbrauch von Ressourcen und Energie, der Verarbeitung und dem Transport von Baumaterialien sowie dem Umgang mit Bauabfällen. Welchen Beitrag können wir zum Thema Nachhaltigkeit leisten? Es ist an der Zeit,einen Paradigmenwechsel im Bauwesen herbeizuführen. Das heißt: leichter, effizienter, intelligenter bauen, ressourcenschonend denken und handeln. Einerseits geht es um Ästhetik, eine filigranere und variantenreichere Formensprache für Betonbauten bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit. Andererseits geht es um Effizienz – leichter bauen spart Material. Das wiederum reduziert vor allem im Herstellungsprozess, aber auch beim Transport und bei der Verwendung von Beton und Zement den Energieaufwand und den CO2-Ausstoß. Diese Herausforderungen gehen wir aktiv an. Vor drei Jahren haben sich Bauingenieure, Architekten, Maschinenbauer und Mathematiker aus ganz Deutschand im Schwerpunktprogramm Leicht Bauen mit Beton zusammengefunden, um Grundlagen für das Bauen der Zukunft mit Beton zu erforschen. Die Ergebnisse der 1. Förderphase sind in diesem Band dargestellt. Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Einrichtung des Schwerpunktprogramms 1542, die Unterstützung und die Förderung. Ausdrücklich danken möchten wir auch den Gutachterinnen und Gutachtern, die durch ihre Tätigkeit das Schwerpunktprogramm mit gestaltet haben

Untersuchungen zur Verbundverankerung textilbewehrter Feinbetonverstärkungsschichten für Betonbauteile

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verbundverankerung des neuen Verstärkungsmaterials textilbewehrter Beton für Stahlbetonbauteile. Der Detailpunkt der Verankerung mit den Mechanis-men der Kraftübertragung von der textilbewehrten Verstärkungsschicht in den Altbeton wurde auf experimentellem Weg an unterschiedlichen Probekörperformen untersucht. Dazu wurden verschie-dene Haftzug-, Filamentgarnauszug- sowie Schubversuche durchgeführt. Nach der Klärung der grundlegenden Phänomene beim Verbundbruchverhalten von Verstärkungs-schichten wurden zugehörige Versagenskriterien näher beleuchtet. Ein mögliches Versagen des inneren Verbundes wurde durch zusätzlich in das Versuchsprogramm aufgenommene Filamentgar-nauszugsversuche untersucht. Für die Verankerung sind zwei Versagensebenen zu berücksichtigen, die eine getrennte Betrachtung erfordern: der Altbetonuntergrund und die Ebene der textilen Be-wehrung. Mit Hilfe experimenteller Haftzuguntersuchungen wurde ein breit gefächertes Spektrum möglicher Einflussparameter auf die Tragfähigkeit des Verbundes in der Ebene der textilen Bewehrung unter-sucht. Den einzelnen Einflussfaktoren kommt dabei eine unterschiedliche Bedeutung zu. Den aus-schlaggebenden Einfluss auf die Tragfähigkeit des Haftverbundes in der Ebene der textilen Bewehrung liefert die textile Bewehrung selbst. Es wurde ein geeignetes Verfahren zur Ermittlung eines wirksamen Flächenanteiles der textilen Bewehrungsstrukturen entwickelt, welches die Grund-lage für die weiterführenden Betrachtungen zum Verbundversagen durch Delamination in der Ebe-ne der textilen Bewehrung bildet. Das Verbundtragverhalten unter Schubbeanspruchung bildet den Kern der vorliegenden Arbeit. Spezielle Eigenheiten des textilbewehrten Betons werden aufgezeigt und Lösungsvorschläge erar-beitet. Da sich das Verhalten von Verstärkungsschichten aus textilbewehrtem Feinbeton beträcht-lich von bekannten Klebeverbindungen unterscheidet, sind hier völlig neue Wege zu beschreiten. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung wurde ein neues, riss-bildorientiertes Messverfahren entwickelt. Anhand eines Beispielversuchs wird diese neu entwi-ckelte Methode vorgestellt und verbleibende Problempunkte diskutiert. Die Ergebnisse dieser Messungen haben gezeigt, dass es mit dem derzeitigen Kenntnisstand nicht möglich ist, für das Verstärkungsmaterial Textilbeton eine Schubspannungs-Schlupf-Beziehung anzugeben. Nach An-sicht der Verfasserin ist die Verwendung einer solchen Modellvorstellung nur für Verstärkungsma-terialien mit linear-elastischem Materialverhalten geeignet. In der vorliegenden Arbeit werden einige alternative Modellvorschläge für die Beschreibung des Verbundverhaltens angegeben. Separate Modellvorschläge für die Verbundtragfähigkeit unter Haft-zugbeanspruchung und unter Schubbeanspruchung wurden zu einer Interaktion zusammengeführt. Diesem wurden weitere alternative Modellvorschläge wie z. B. die Betrachtung als Stabwerk mit veränderlicher Druckstrebenneigung gegenübergestellt

Cracking Behaviour of Reinforced Concrete Shells with Skew Reinforcement

Rissbreiten von Stahlbetontragwerken müssen begrenzt werden, um die Dauerhaftigkeit und die Gebrauchstauglichkeit sicher zu stellen. Daher sind die Grenzwerte und die Ansätze zur Berechnung der Rissbreiten in nationalen und internationalen Vorschriften geregelt. Bisherige Ansätze basieren auf mechanischen Beziehungen, welche, für den Fall mit Bewehrung in Kraftrichtung, für Biegeträger und Zugstäbe entwickelt wurden. In Flä-chentragwerken wirken die Zugspannungen häufig nicht in Richtung der eingebauten Stäbe des Bewehrungsnetzes. Daher sind die vorhandenen Ansätze zu diskutieren bzw. entsprechend zu erweitern. Die Rissbildung von Flächentragwerken wird, wie bei Zugstäben oder Biegeträgern, vom Verbundverhalten, dem Bewehrungsgrad, den Stabdurchmessern und weiteren Parametern beeinflusst. Zusätzlich müssen jedoch die Rissorientierung, die Schiefwinkligkeit der Bewehrung und die Schubkraftübertragung im Riss berücksichtigt werden. Zum Riss- und Formänderungsverhalten von schiefwinklig bewehrten Bauteilen liegen bisher wenige Forschungsarbeiten auf experimenteller Grundlage vor. Daher ist es erforderlich, die vorhandenen Ergebnisse im Hinblick auf das Rissverhalten zusammenfassend zu untersuchen und zu werten. Da zum Rissverhalten von schiefwinklig bewehrten Bauteilen unter zweiaxialer Zugbeanspruchung keine ausreichend dokumentierten Versuchsergebnisse vorliegen, muss ein Prüfstand entwickelt werden, welcher es erlaubt eine geeignete Datenbasis zu schaffen. Darin ist die Interaktion der Hauptzugkräfte, anhand von großmaßstäblichen Scheibenversuchen zu erfassen. In Versuchen nicht untersuchte Kenngrößen, welche Auswirkungen auf das Rissverhalten haben könnten, werden anhand von FE-Berechnungen bewertet. Auf Grundlage der umfassenden theoretischen und experimentellen Untersuchungen, wird das Riss- und Formänderungsverhalten von Flächentragwerken mit schiefwinkliger Bewehrung mechanisch konsistent, modelltheoretisch beschrieben.In reinforced concrete crack widths and deformations have to be limited in order to ensure a sufficient durability and serviceability. Therefore, the calculation and limita-tion of crack widths and deformations are an essential part of the design and specifications given in the national standards and guidelines. In reinforced shell structures the applied tension forces are not acting in the direction of the sited reinforcement only, but in any arbitrary angle to it. In case of cracking of those structures the reinforcement will not be stressed ideally and the crack orientation will not be perpendicular to the reinforcement direction. Though, the application of common crack width models has to be examined and modified in order to assure the serviceability. Experimental research to structures with arbitrary reinforcement orientation under uniaxial and biaxial in-plane tension is rare. As knowledge about the cracking process for reinforced concrete members is essential for structural stability and safety, a comprehensive analysis of existing tests related to the problem of arbitrary reinforcement orientation has been performed. In addition addressing the lack of data for the biaxial tension behaviour of reinforced concrete, a new testing facility for panels with arbitrary reinforcement orientation has been developed. Six full-scale specimens have been tested. The experimental research has been complemented by FEM-analysis. It has been asserted, that there is an interac-tion between the first and the second principal stress direction, which must be consid-ered for safe design. Based on own tests and those from literature a new approach for the prediction of crack widths and deformation behaviour of shell structures with arbitrary reinforcement orientation has been formulated. This new method allows variable application for the analysis of plates in bending, and panels in biaxial tension, tension-compression and combined tension-compression-shear actions. The approach has been checked against test data and other models known from literature

Load bearing and post-peak behaviour of columns made of ultra high performance concrete (UHPC) and high strength longitudinal reinforcement

Mit Ultra High Performance Concrete werden Stützen möglich, deren Tragfähigkeit mit Stahl- und Stahlverbundstützen vergleichbar ist. Ohne besondere Maßnahmen versagen UHPC-Stützen deutlich spröder als konventionelle Stahlbetonstützen. Das Nachbruchverhalten kann durch eine Stahlfaserzugabe, die Erhöhung der Stahlfestigkeit und/oder des Bewehrungsgehaltes von Bügel- und Längsbewehrung verbessert werden. Um diese Maßnahmen an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen zu können, ist eine rechnerische Beschreibung des Trag- und Nachbruchverhaltens notwendig. In der Fachliteratur wird über unterschiedliche Modelle zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Stahlbetonstützen berichtet. Ein Modell, das das Tragverhalten bügelbewehrter UHPFRC-Stützen mit hochfester Längsbewehrung einschließlich des Nachbruchbereiches wirklichkeitsnah beschreibt, existiert aber noch nicht. Die eigenen Untersuchungen konzentrieren sich auf die Tragfähigkeit und das Nachbruchverhalten von Stützen mit Schlankheiten bis 70. Als experimentelle Basis wurde ein Versuchsprogramm mit 17 Stützenversuchen durchgeführt und im Detail analysiert. Die Auswertung ergab, dass die für konventionelle Stahlbetonstützen eingesetzten Modelle zur Bestimmung der Querschnitts- und Systemtragfähigkeit auf UHPFRC-Stützen übertragbar sind. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen wurde ein Ingenieurmodell für UHPFRC-Stützen und ein numerisches Modell entwickelt. Mit diesen Modellen können die Kraft-Verschiebungsbeziehungen von UHPFRC-Stützen einschließlich des Nachbruchbereiches wirklichkeitsnah bestimmt werden. Mit den an Versuchen validierten Modellen wurde in Parameterstudien die Wirksamkeit der Maßnahmen zur Verbesserung der Tragfähigkeit und des Nachbruchverhaltens rechnerisch untersucht. Auf dieser Grundlage konnten Vorschläge zur Bemessung und konstruktiven Durchbildung formuliert werden, die eine sichere Bestimmung der Tragfähigkeit und gezielte Anpassung des Nachbruchverhaltens an die jeweiligen Anforderungen ermöglichen.UHPC allows rc-columns with a bearing capacity which are comparable to steel and composite columns. But when no specific mechanical measures were applied, the post-peak behaviour of UHPC-columns is significantly more brittle than conventional columns. The post-peak behaviour can be enhanced by a combination of steel fibres and higher strength and reinforcement ratio of longitudinal bars and stirrups. In order to adjust this measurements on the requirements of the application a model for the numerical determination of the load-bearing behaviour including the post-peak zone is necessary. The literature reports about different models for the numerical determination of the load-bearing capacity of rc-columns. There was no model available to accurately foresee fully load-deformation curve of UHPFRC-columns. The experimental and numerical investigations focused on the load-bearing capacity and post-peak behaviour of UHPRC-columns with a slenderness ? ? 70. As experimental basis a test programme with 17 column tests were carried out and analysed in detail. As a result it was determined that the load bearing capacity of UHPFRC-columns can be well estimated by the methods used for conventional rc-constructions. Derived from the experimental results an engineering model for UHPFRC-columns and a numerical model for been developed. These models allow the realistic determination of the fully load-deformation curve of short and slender UHPFRC-columns with high-strength longitudinal reinforcement and confining lateral reinforcement. With these tools validated on tests a parametric study was carried out. The parameter steel fibres dosage and strength and reinforcement ratio of longitudinal bars and stirrups has been. On this basis proposals for the dimensioning and structural design could be formulated, which allow a reliable determination of the load-bearing capacity and a optimum adaption of the post-peak behaviour to the requirements of the specific application