02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Gradientenbeton - Untersuchungen zur Gewichtsoptimierung einachsiger biege- und querkraftbeanspruchter Bauteile(2015) Herrmann, Michael; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr.h.c.)Die Gradierung von Betonbauteilen ermöglicht eine Anpassung des Bauteilinneren an das vorherrschende statische oder bauphysikalische Anforderungsprofil. Durch eine in bis zu drei Raumrichtungen kontinuierlich frei veränderbare Porosität lassen sich maßgeschneiderte Betonbauteile herstellen. Die Gradierung der Porosität von Beton kann zur Massenminimierung, zur Reduzierung der grauen Energie und zur Erzielung multifunktionaler Eigenschaften in einem Bauteil eingesetzt werden. Um das Potential der neuen Bauweise zu erschließen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Betonmischungen im gesamten Dichtespektrum von infraleicht bis hochfest entwickelt. Anschließend wurden Herstellungsverfahren untersucht, um diese Mischungen zielgenau im Bauteil zu positionieren. Das schichtweise Gießen ermöglichte die Herstellung von Bauteilen mit diskret gestuftem Schichtaufbau, welche nachfolgend experimentell untersucht werden konnten. Im Weiteren ließ die Automatisierung des Gradientensprühverfahrens die Herstellung von Bauteilen mit dreidimensionalen kontinuierlichen Eigenschaftsverläufen zu. Zur Bemessung von Bauteilen aus gradiertem Beton wurden die bestehenden Normansätze für Biegung, Querkraft und die Verbundfugen nach EC 2 und DIN EN 1520 untersucht und an die Besonderheiten des Gradientenbetons angepasst. Die Ermittlung der Biegetragfähigkeit erfolgte mit einem angepassten Reduktionsansatz für Plattenbalken. Der Querkraftbemessung kommt eine erhöhte Bedeutung zu, da Biege- und Querkraftversagen bei gradierten Bauteilen definitionsgemäß nahe beieinanderliegen. Für den Nachweis der beim geschichteten Aufbau bestehenden Verbundfugen unter Zwangsbeanspruchungen wurde ein analytischer Ansatz verwendet. Die Bauteilversuche erfolgten an Prüfkörpern in zwei Größenmaßstäben, die mithilfe der Bemessungsansätze ausgelegt wurden und deren Tragverhalten experimentell ermittelt wurde. Die zuerst durchgeführten Versuche an skalierten Bauteilen ermöglichten die Untersuchung des Einflusses des Gradientenaufbaus und der Bewehrungsmaterialien auf die Biegetragfähigkeit. Weiterhin wurden Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit in Abhängigkeit der Schubschlankheit durchgeführt. Hierbei konnten die Bemessungsannahmen bestätigt werden. Es ließen sich Massenreduktionen von 59 % bei Erreichen der rechnerischen Tragfähigkeiten realisieren. Bei den anschließenden Versuchen an Bauteilen im Originalmaßstab konnte ein Maßstabseinfluss auf die Querkrafttragfähigkeit festgestellt werden. Im Vergleich zu den Versuchen an skalierten Bauteilen wurden Mischungen mit höherer Festigkeit im querkraftbeanspruchten Kernbereich erforderlich. Hierdurch reduzierte sich die Massenersparnis auf 43 %. Es konnte festgestellt werden, dass die Gradierung von Betonbauteilen einen maßgeblichen Einfluss auf deren Steifigkeit im Zustand I und auf die Erstrisslast hat. Die Steifigkeit der Bauteile im Zustand II hängt hingegen überwiegend von der eingesetzten Bewehrung ab. Die Bauteilversuche wurden anschließend mittels einer Simulation, unter Berücksichtigung des nichtlinearen Materialverhaltens, nachvollzogen. Zur Beschreibung des Materialverhaltens von Beton kam ein elastisch-plastisches Schädigungsmodell zum Einsatz, welches anhand der vorliegenden Prüfergebnisse kalibriert wurde. Es zeigte sich, dass die Beschreibung des Betons unter Zug einen maßgeblichen Einfluss auf die Risslast am Ende des Zustands I hat. Daher wurden die zwei möglichen Definitionen über die Spannungs-Dehnungs-Beziehung und über die Spannungs-Rissöffnungs-Beziehung verglichen. Das Tragverhalten der gradierten Bauteile konnte mithilfe der Simulation gut abgebildet werden und es kam zu einer guten Übereinstimmung der Last-Durchbiegungs-Kurven. Der Entwurf dichtegradierter Strukturen erfolgte mithilfe eines Verfahrens der Topologieoptimierung basierend auf dem SIMP-Ansatz. Als Entwurfsvariable diente die relative Dichte jedes Elements. Über diese wurden in jedem Iterationsschritt die Elementsteifigkeiten verändert. Zwischen der relativen Dichte und dem E-Modul besteht ein exponentieller Zusammenhang, der an die physikalischen Zusammenhänge des Gradientenbetons angepasst wurde. Mit diesem Ansatz gelang der Entwurf von Bauteilen mit kontinuierlich gradierten Materialeigenschaften. Im Vergleich zu den im Schichtenverfahren hergestellten Bauteilen ließ sich die Steifigkeit im Zustand I um ca. 30 % steigern. Bei der Optimierung einer 5 m spannenden Flachdecke konnte eine Gewichtsersparnis von bis zu 62% im Vergleich zu einem massiven Bauteil realisiert werden. Das digitale Dichtelayout dient zukünftig als Bauplan für die automatisierte Fertigung.Item Open Access D1244: Design and construction of the first adaptive high-rise experimental building(2022) Blandini, Lucio; Haase, Walter; Weidner, Stefanie; Böhm, Michael; Burghardt, Timon; Roth, Daniel; Sawodny, Oliver; Sobek, WernerAn interdisciplinary research team of the University of Stuttgart has been working extensively since 2017 on the development and integration of adaptive systems and technologies in order to provide solutions for a more sustainable built environment. An experimental 36.5 m tall high-rise building, called D1244, was designed and completed in 2021 to show the potential of adaptive structures and facades as well as to verify on a real scale the developed systems and the related numerical predictions. The building was designed to offer a flexible experimental platform: each component is dismountable so that structural as well as facades elements can be replaced with new ones introducing new functionalities to be investigated. The structure is currently equipped with twenty-four hydraulic actuators that are installed in the columns and diagonal bracers. Strain gauge sensors and an optical tracking system are employed to monitor the state of the structural system. This paper describes the design and construction of the adaptive tower as well as the preliminary experimental testing on different scaled structural prototypes. The research work on these prototypes provided relevant information for the final set-up of the high-rise building. An outlook on future research, including the planned first structural testing phase and the implementation of adaptive facade systems, is included at the end.Item Open Access Zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in Bauteilen aus ultrahochfestem Beton(2016) Pritschow, Andreas; Novák, Balthasar (Prof. Dr.-Ing.)Ultrahochfeste Betone (UHPC) bieten Vorteile, die zu neuen Anwendungsmöglichkeiten im Konstruktiven Ingenieurbau geführt haben. Bei herkömmlicher Betonstahlbewehrung mit vergleichsweise niedrigen Festigkeiten und deren Korrosionsanfälligkeit können jedoch die Vorteile von UHPC nicht in gleichem Maße ausgenutzt werden. Hier bieten sich CFK-Bewehrungsstäbe auf Grund ihrer mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit an. Hochleistungsbetone stellen jedoch besondere Anforderungen an das Bewehrungsmaterial, mit entsprechenden Auswirkungen auf das Verbundverhalten. Für FVK-Bewehrung liegen hierzu zahlreiche Untersuchungen in Normalbeton vor, in UHPC beschränken sich die Untersuchungen jedoch hauptsächlich auf Betonstahlbewehrung. Die vorliegende Arbeit setzt hier mit Untersuchungen zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in Bauteilen aus UHPC an. Das Grundproblem von FVK-Bewehrungsstäben liegt im Versagen der Stabprofilierung bei bereits vergleichsweise niedrigen Verbundspannungen. Zwar ähneln die Verbundspannungs-Schlupf-Verläufe den für anderen FVK-Bewehrungsstäben sowie Betonstahl bekannten Verläufen, spätestens bei Erreichen der Höchstlast ändert sich das Verbundverhalten jedoch grundlegend. Das Tragverhalten basiert in diesem Bereich im Wesentlichen auf einer äußeren Reibungskomponente zwischen Beton und Stab sowie einer inneren Reibungskomponente zwischen Stabrippe und Stabkern. Für einen wirksamen Verbund ist jedoch das Abscheren der Betonkonsole und damit einhergehende Rissbildung im Beton erforderlich. Mittels Pull-out-Versuchen von CFK-Bewehrungsstäben mit maschinell eingebrachten Rippungen in UHPC-Bauteilen wurden Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen ermittelt und in Verbindung mit den Versagensmechanismen grundlegende Erkenntnisse zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben abgeleitet. Unter Verwendung der Versuchsergebnisse wurde eine Übertragbarkeit vorhandener, für Betonstahl- und FVK-Bewehrung in Normalbeton gültiger, analytischer Modelle auf CFK-Bewehrung in UHPC überprüft. In numerischen Untersuchungen mit dem FE-Programm MASA wurden Versuche mittels zweier Modellierungsvarianten nachgerechnet und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit bewertet. Aus den experimentellen und analytischen Untersuchungen wurden Profilgeometrien abgeleitet, mit denen theoretisch eine zum Betonstahl vergleichbare Wirksamkeit erzielt werden kann. Darauf aufbauend wurde der Einfluss der Stabprofilierung auf das globale Verbundverhalten untersucht. Dabei wurde besonders der Einfluss der theoretisch erforderlichen Profilgeometrieverhältnisse betrachtet. Es hat sich gezeigt, dass für FVK-Bewehrung in Normalbeton gültige analytische Modelle und Verbundgesetze auch auf CFK-Bewehrung in UHPC übertragbar sind. Globale, aus Versuchen gewonnene Verbundspannungs-Schlupf-Beziehungen, können mit ausreichender Genauigkeit zur Berechnung lokaler Verbundspannungs-Schlupf-Verläufe verwendet werden. Zudem ist die Verbundwirkung über vorgegebene Parameter der Stabprofilierung steuerbar. Zur Sicherstellung eines wirksamen Verbundes mit Rissbildung im Beton ist jedoch eine Stabprofilierung erforderlich, die sich signifikant von Betonstahlbewehrung unterscheidet. Es werden sehr kleine Rippentiefen und kurze Betonrippen sowie große Verhältnisse zwischen Stabrippen- und Betonrippenbreiten benötigt. Bei den analytischen Betrachtungen ergaben sich jedoch theoretische Stabrippengesamtbreiten, die das Maß der Verbundlänge im Versuchsprobekörper z. T. deutlich überschreiten. Eine experimentelle Überprüfung ist daher nur mit alternativen Versuchskörpern möglich. Anhand eines Anwendungsbeispiels wurde aufgezeigt, dass die Einbettungslängen, die zur vollständigen Krafteinleitung in den Beton erforderlich sind, meist die Stabrippenbreiten unterschreiten und daher in diesen Fällen ein maßgebendes Anforderungskriterium für das Stabprofil darstellen. Insgesamt hat sich gezeigt, dass eine alleinige Optimierung des Rippenprofils nicht ausreichend, sondern eine Kombination aus Profil- und Materialoptimierung erforderlich ist. Die vorliegende Arbeit liefert vielversprechende Erkenntnisse zum Verbundverhalten von CFK-Bewehrungsstäben in UHPC und bietet Ansätze für weiterführende Untersuchungen.Item Open Access Performance fundamentals of multilayer membrane building envelopes(2016) Klaus, Thorsten P. R.; Sobek, Werner (o. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)The contemporary building envelope must fulfil an increasingly complex array of performance demands, architectural objectives, and functional requirements. Multilayer membrane building envelopes represent one potential approach to the development of the facade as a dynamic material- and energy-efficient interface - using layered combinations of technical textiles and films, lightweight insulating materials, and functional components, they present an alternative to the traditional envelope in the form of a lightweight, translucent, and potentially adaptable building skin. The promise of these systems is, however, equalled by the challenge of their analysis and design. There remains a substantial deficit of knowledge surrounding their complex behaviour, and no suitable analysis techniques have been developed which are capable of correctly modelling their unique heat and moisture transfer characteristics. The objective of this dissertation was to improve the understanding of the thermal behaviour of these systems, and to develop an accurate and practical method for their analysis and design. This method was realized in the form of a custom-programmed numerical analysis tool which is able to predict thermal and moisture transfer parameters through assemblies of any number of parallel, planar layers of solid materials and gaseous fills. The analysis considers thermal transfer via conduction, convection, and radiation as well as moisture transfer due to vapour diffusion. Laboratory and field measurements of a series of multilayer membrane test specimens were used to validate the numerical analysis method, which was found to predict the thermal flux and surface temperatures of both the hot box and the roof enclosure test specimens with generally high accuracy and good consistency, in most cases with substantially lower error than the conventional thermal resistance approach. The outdoor test data confirmed the high sensitivity of membrane facade systems to changes in environmental conditions. Air temperature, solar incident radiation, wind speed, cloud cover, and the emissivity of the surrounding environment all appreciably affect the thermal behaviour of these systems and cannot be neglected if accurate analysis and design results are to be obtained. Both sets of experiments furthermore confirmed the inadequacy of the conventional performance metrics of U-value and g-value in characterizing transparent and translucent material assemblies, as these properties do not remain static across the range of boundary conditions seen in service. A “facade performance envelope” is therefore proposed as a more comprehensive and consistent approach to the performance assessment of contemporary high-performance building envelopes.Item Open Access Untersuchung von verglasten, adaptiven, vorgespannten Seilfassaden unter Windbeanspruchung(2021) Flaig, Christine; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)In dieser Arbeit wird eine Strategie für die Adaption sowie für die Bemessung von adaptiven, vertikal vorgespannten Seilfassaden mit Seilpaaren unter statischer Windbeanspruchung entwickelt. Aufgrund des nichtlinearen Tragverhaltens von Seiltragwerken wird zwischen Seilkraft- und Verformungsmanipulation differenziert. In Anlehnung an verschiedene Sicherheitskonzepte wird ein Adaptionskonzept erarbeitet, welches sich allgemein auf adaptive Seilfassaden anwenden lässt. Bei diesem Konzept werden drei Modi (A, B und C) mit verschiedenen Böenwindgeschwindigkeitsbereichen für das adaptive Fassadensystem definiert. Modus A: das System ist passiv und der Lastabtrag erfolgt ohne Aktivierung der Aktoren; Modus B: das System passt sich aktiv an die vorherrschende Beanspruchungssituation an, um die Verformungen normal zur Glasebene zu reduzieren; Modus C: das System reduziert aktiv die Seilkräfte, um die Tragfähigkeit des Tragwerks bei außergewöhnlichen Beanspruchungen zu gewährleisten. Dieser Modus garantiert, dass das System bei einem Systemausfall oder eventuellen Störfällen in einen sicheren Zustand überführt wird. Für vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren werden verschiedene Adaptionsmöglichkeiten an einem geeigneten Ersatzsystem (Simulationsmodell) mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert. Dabei wird der Einfluss von Aktoren untersucht, die parallel und senkrecht zur Seilachse angeordnet sind. Des Weiteren werden mehrere Optimierungsziele definiert und das Zusammenwirken der verschiedenen Aktorpositionen wird mittels Sensitivitätsanalyse bewertet. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wird die Adaptionsstrategie für vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren hergeleitet. Mit dieser Strategie können für definierte Böenwindgeschwindigkeiten sowohl die Verformungen normal zur Glasebene auf ein Minimum reduziert werden als auch die Seilkräfte bei Extremereignissen so manipuliert werden, dass die Grenzzugkraft nicht überschritten wird. Das Simulationsmodell wird experimentell validiert. Hierfür werden Versuche zur Verformungsadaption bei Winddruck an einem Prototyp eines adaptiven Fassadenmoduls durchgeführt. Im Rahmen einer Fallstudie werden passive (konventionelle) und adaptive, vertikal vorgespannte Seilfassaden mit Seilpaaren gegenübergestellt. Die Bemessung der passiven Fassaden erfolgt gemäß den gültigen Normen. Die Bemessung der adaptiven Fassaden erfolgt in Anlehnung an die gültigen Normen und wird entsprechend der Adaptionsstrategie angepasst. Der betrachtete Standort ist Stuttgart. Auf Grundlage von statistischen Methoden wird die Verteilungsfunktion der Böenwindgeschwindigkeit und der Grenzwert der Böenwindgeschwindigkeit für die einzelnen Modi berechnet. Die Grenzwerte werden zur Bemessung der adaptiven Systeme herangezogen. Die Systeme werden hinsichtlich des Tragverhaltens und der energetischen Aspekte miteinander verglichen. Hierbei werden die Verformungen normal zur Glasebene, die Seilkräfte sowie der Materialeinsatz ausgewertet.Item Open Access Analytical and numerical case studies on tailoring stiffness for the design of structures with displacement control(2023) Trautwein, Axel; Prokosch, Tamara; Senatore, Gennaro; Blandini, Lucio; Bischoff, ManfredThis paper discusses the role that structural stiffness plays in the context of designing adaptive structures. The focus is on load-bearing structures with adaptive displacement control. A design methodology is implemented to minimize the control effort by making the structure as stiff as possible against external loads and as flexible as possible against the effect of actuation. This rationale is tested using simple analytical and numerical case studies.Item Open Access Simulation-based investigations of the load-bearing behavior of concrete hollow sphere slabs exposed to fire(2022) Miller, Olga; Gericke, Oliver; Nigl, David; Kovaleva, Daria; Blandini, LucioThis paper concerns the investigations of the flexural capacity of concrete slabs with integrated concrete hollow spheres that are subjected to fire and their mass saving potential compared to solid slabs. (1) Background: The overuse of concrete in construction contributes considerably to global CO2 emissions; therefore, the potential for mass reduction in structural components must be fully exploited. However, the design regulations for weight-minimized components, particularly slabs with internal voids, are often not explicitly covered by standards, such as the fire design standard relevant to this paper. (2) Methods: Based on the design guidelines for statically determinate structures in Eurocode 2-2 and DIN 4102-4, a solid slab and a concrete slab with concrete hollow spheres are designed and evaluated with regard to their weight and flexural capacity when subjected to fire. The temperature profiles within the slab cross-section exposed to fire are simulated using ABAQUS finite element software, considering the physically nonlinear, temperature-dependent material behavior of concrete and steel. Using these results, the strain distribution corresponding to the maximum flexural moment is iteratively determined at the weakest cross-section, which exhibits the largest void. (3) Results: All components show sufficient flexural capacity for the target fire duration of 90 min. (4) Conclusion: In the context of this study, the design guidelines according to Eurocode 2-2 and DIN 4102-4 are proven to be fully applicable also for concrete hollow sphere slabs.Item Open Access Steifigkeitsverhalten von Doppelverbundbrücken mit Trapezblechstegen(2014) Reichert, Frank; Novák, Balthasar (Prof. Dr.-Ing.)Die bislang in Deutschland nur an einem Pilotbauwerk praktizierte Anwendung von Trapezblechstegen im Verbundbrückenbau bietet durch die charakteristischen Eigenschaften des Trapezblechs konstruktive und wirtschaftliche Vorteile gegenüber konventionellen Spannbetonbrücken und der klassischen Verbundbauweise. Es stehen jedoch keine ausreichenden Erfahrungen und vor allem Regelungen bereit, um die Vorteile voll auszuschöpfen und eine wirtschaftliche Ausbildung zu ermöglichen. Gerade die Ausführung der ersten Pilotbrücke in Deutschland hat hier kritische Punkte aufgezeigt. Während für die Erfassung des Beulverhaltens des Trapezblechsteges mit den aus der DASt-Richtlinie 015 in die DIN EN 1993-1-5 Anhang D übernommenen Regelungen vereinfachte Berechnungs- und Bemessungsansätze vorliegen, fehlen die Möglichkeiten, das Trag- und Verformungsverhalten auf einfache Weise mittels erprobten und bewährten Näherungsmethoden erfassen und berechnen zu können. Dies führte bei den ausgeführten Bauwerken teilweise zu aufwändigen Berechnungen am Gesamtsystem. Die restriktive Normungssituation in Deutschland führte zusätzlich dazu, dass wirtschaftliche Reserven in der Abtragung der Querkraftbeanspruchung nicht ausgenutzt werden konnten. Die Entwicklung vereinfachter Berechnungsmöglichkeiten zur Erfassung des Trag- und Verformungsverhaltens von Verbundträgern mit Trapezblechstegen stellt somit für das Potential dieser Bauweise eine wesentliche Voraussetzung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher, ausgehend von Versuchen und Parameterstudien, das Steifigkeitsverhalten von Verbundträgern mit Trapez-blechsteg und seine Auswirkungen auf das Verformungsverhalten untersucht sowie ein Näherungsverfahren zur einfachen Verformungsberechnung entwickelt. Dabei wird ein praxistaugliches Vorgehen angestrebt, welches in der Lage ist, das Verhalten auf einfache Art und Weise zu berücksichtigen, um den Planungs- und Berechnungsaufwand von Brückenbauwerken mit Trapezblechstegen gegenüber klassischen Verbundquerschnitten nicht mehr als erforderlich zu vergrößern und die Akzeptanz der Bauweise somit zu erhöhen. Als Beitrag zur Verbesserung der Normungssituation wird für den Grenzzustand der Tragfähigkeit die Aufteilung der Beanspruchung auf die einzelnen Verbundpartner untersucht und ein erster Ansatz zu einer entsprechenden Berücksichtigung der Mitwirkung der Gurte am Querkraftabtrag von Doppelverbundbrücken mit Trapezblechstegen erarbeitet. Neben theoretischen Betrachtungen, Laborversuchen und numerischen Untersuchungen werden auch die Ergebnisse von Messungen an der Talbrücke Altwipfergrund, der einzigen bislang in Deutschland errichteten Verbundbrücke mit Trapezblechstegen, mit einbezogen.Item Open Access Ein Implantat zur Einleitung konzentrierter Lasten in Bauteile aus ultra-hochfestem Beton(2013) Kobler, Martin; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.)Mit ultra-hochfestem Beton steht im Bauwesen ein Hochleistungswerkstoff zur Verfügung, dessen Druckfestigkeit im Bereich von normalfestem Baustahl liegt und der dabei nur ca. ein Drittel des spezifischen Gewichtes von Stahl aufweist. Durch den Einsatz von Stahlfasern kann bei entsprechender Konstruktionsweise auf herkömmliche Bewehrung verzichtet werden – dann sind lediglich 20 mm dicke Bauteile möglich. Wie bei nahezu allen Hochleistungswerkstoffen sind auch bei ultra-hochfestem Beton für einen wirtschaftlichen und praktikablen Einsatz geeignete Verarbeitungsprozesse und Herstellverfahren erforderlich, da gegenüber Normalbeton bei der Herstellung und Verarbeitung ein deutlich höheres Maß an Sorgfalt erforderlich ist. Dies führt fast zwangsläufig zur überwiegenden Produktion von Bauteilen im Fertigteilwerk mit anschließendem Fügen auf der Baustelle. Punktuellen Fügungen ist hierbei aus Gründen der Herstell- und Rezyklierbarkeit in der Regel der Vorzug vor den unter Kraftfluss-Aspekten günstigeren kontinuierlichen Fügungen zu geben. Dies macht neuartige Verbindungstechniken für Fertigteile notwendig, die den Anforderungen des Werkstoffes gewachsen sind. Diese punktuellen Verbindungstechniken führen letztlich immer zur Problematik der konzentrierten Lasteinleitung. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist demzufolge, konzentrierte Lasteinleitungsbereiche mittels eines integralen Lasteinleitungselements – das in Analogie zur Medizin als „Implantat“ bezeichnet wird – beherrschbar zu machen. Eine klar am Trajektorienverlauf im Lasteinleitungsbereich orientierte Implantatgeometrie nutzt neben der Minimierung von Gefügestörungen im UHPC-Bauteil bei gleichzeitiger Maximierung der Kontaktfläche auch die Lasteinleitung längs der Kraftrichtung als positiven Effekt. Den mit Abstand günstigsten Einfluss auf die Tragfähigkeit eines Lasteinleitungsbereiches hat jedoch die Vermeidung von Spannungsspitzen, die eine gleichmäßige und damit zugleich maximale Werkstoffausnutzung erst ermöglicht. Durch Steifigkeitsanpassungen des Lasteinleitungselementes lassen sich hier signifikante Verbesserungen in der Spannungsverteilung erzielen. Eine Parameterstudie zu den Einflussgrößen auf die Spannungsverteilung im Lasteinleitungsbereich identifiziert die Steifigkeitsverteilung der Verzahnungsleiste als maßgebenden Einflussfaktor. Die gewünschte Homogenisierung der Beanspruchungen im Lasteinleitungsbereich lässt sich dementsprechend durch den Einsatz von Verzahnungselementen aus Titan erreichen – der hier im Vergleich zu Stahl geringere Elastizitätsmodul wirkt sich günstig auf die Beanspruchungsverteilung aus, da die Maximalwerte der Spannungsabweichungen halbiert werden und sich so die rechnerische Tragfähigkeit des Implantats erhöht. In den numerischen Untersuchungen wurden Tragfähigkeiten der 20 mm dicken UHPC-Scheiben bei konzentrierter Lasteinleitung mittels Implantaten von 689 kN bei Titan-Verzahnung und 573 kN bei Stahl-Verzahnung ermittelt – dies entspricht beachtlichen 77 % (Titan-Verzahnung) bzw. 64 % (Stahl-Verzahnung) der anhand der Druckfestigkeit des ultra-hochfesten Betons ermittelten Querschnittstragfähigkeit der Scheibe. Diese Gegenüberstellung zeigt deutlich die immens gesteigerte Leistungsfähigkeit des Implantats zur Druckkrafteinleitung gegenüber konventionellen Einbauteilen. Die umfangreichen theoretischen Untersuchungen konnten anhand von zwei Serien von Tastversuchen verifiziert werden: Die Versuchskörper erreichen bis zu 90 % der rechnerischen Traglasten und zeigen ein mit den numerischen Untersuchungen weitestgehend übereinstimmendes Last-Verformungs-Verhalten. Gegenüber einer Lasteinleitung ohne Implantat mit gleich großer Lasteinleitungsfläche und ansonsten identischen geometrischen Bedingungen (Vergleichsscheiben ohne Implantate) werden bei den Tastversuchen der ersten Serie mehr als doppelt so hohe Tragfähigkeiten von bis zu 664 kN erreicht – die im Lasteinleitungspunkt auftretende Spannung beträgt dabei 738 MPa und liegt somit deutlich über den Werkstofffestigkeiten gängiger Baustähle. Auch die in der zweiten Versuchsreihe gemessenen Spannungsverteilungen in den Versuchsscheiben stimmen in ihrem prinzipiellen Verlauf mit den numerisch ermittelten sehr gut überein. Während theoretisch bei einer konzentrierten Lasteinleitung (Einzellast) die maximale Spannungsabweichung („Spannungsspitze“) von der homogenen Spannungsverteilung bis zu 220 % beträgt, schafft das Implantat hier eine deutliche Verbesserung: die maximalen Spannungsabweichungen in den numerischen wie auch experimentellen Untersuchungen betragen nur noch unter 30 %.Item Open Access Untersuchung des Tragverhaltens von in die Zwischenschicht von Verbundglas integrierten Lasteinleitungselementen(2012) Puller, Kerstin; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.)Ein neu entwickeltes Zwischenschichtmaterial für Verbundglas (SentryGlas®, SG) ermöglicht einen innovativen Verbindungsansatz im Glasbau, bei dem die Last über ein in die Verbundglaszwischenschicht integriertes Metallelement (Insert) eingeleitet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Tragverhalten einer Insertverbindung unter kurzzeitiger Zugbelastung untersucht und eine Methode zur Berechnung der Spannungsverteilung innerhalb einer Insertverbindung entwickelt. Eine Geometrieanpassung zeigte abschließend, dass durch eine Veränderung der Insertgeometrie die Spannungsverteilung im Verbundglas beeinflusst und tragstrukturell optimiert werden kann. Zugversuche am Folienmaterial dienten der Ableitung eines SG-Materialmodells für diskrete Dehnraten und Temperaturen (23 °C, 40 °C, 75 °C). Eine numerische Simulation bildete die Zugversuche ab und zeigte eine gute Übereinstimmung der experimentellen und der numerischen Ergebnisse. Darauffolgend wurde das Tragverhalten der Insertverbindung untersucht und Auszugsversuche durchgeführt. Da diese Versuche dazu dienten, die Abbildbarkeit des mechanischen Verhaltens von SG zu überprüfen, folgte die Festlegung der Versuchsparameter der Prämisse, möglichst große Verformungen im SG hervorzurufen und ein frühzeitiges Versagen durch Metallfließen oder Glasbruch zu vermeiden. Die Auszugsversuche zeigten, dass bei geringen Verformungen ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen Kraft und Verformung besteht. Dabei wiesen die Versuche bei 23 °C die größte und bei 75 °C die geringste Steifigkeit auf. Mit zunehmender Verformung waren Ablöseerscheinungen (23 °C, 40 °C) bzw. Blasenbildung (75 °C) am Insertende und eine Abnahme der Steigung der Kraft-Verformungsbeziehung zu beobachten. Beim Erreichen der Maximallast war ein Versatz zwischen dem Insertende und dem SG zu erkennen. Zur Berücksichtigung des visko-elastischen Verhaltens von SG wurde bei der numerischen Simulation der Insertverbindung ein iteratives Vorgehen verwendet, bei dem das Materialmodell an die beim Versuch auftretende Dehngeschwindigkeit angepasst wurde. Ein Vergleich der numerisch berechneten mit der experimentell ermittelten Kraft-Weg-Beziehung zeigte insbesondere bei Belastungsbeginn eine gute Übereinstimmung. Im Bereich größerer Verformungen bildete das numerische Modell die Versuche nur bedingt ab, da es kein Schädigungsmodell beinhielt, das die im Experiment auftretenden Ablöseerscheinungen erfasste. Dennoch war das numerische Modell geeignet, die Spannungsverteilung in der Insertverbindung bei geringer Belastung abzubilden und einen Vergleich der Spannungsverteilungen bei unterschiedlichen Geometrien zu ermöglichen. Die numerische Analyse des Tragverhaltens zeigte, dass die Kraft flächig über das Insert und über eine Zugkraft am Insertende übertragen wurde. Dabei war die Kraftaufteilung abhängig von der Steifigkeit der Verbundpartner. Aufgrund des steifen Materialverhaltens von SG bei 23 °C wurde bei den gewählten Abmessungen die Last zu einem großen Anteil über die Insertfläche übertragen, wohingegen die geringere Steifigkeit von SG bei 75 °C eine große Zugkraft am Insertende hervorrief. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Insertgeometrie angepasst. Damit gelang es, bei gleicher Metallansichtsfläche und unter gleicher Belastung die Spannungsverteilung innerhalb der Insertverbindung zu beeinflussen und Spannungsspitzen zu reduzieren.