02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart (MPA Stuttgart, Otto-Graf-Institut (FMPA))End date: 2019

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    Einfluss des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen auf die Bauwerk-Komponenten-Wechselwirkungen bei Erdbebenbeanspruchung
    (2019) Dwenger, Fabian; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
    Befestigungen mit nachträglich montierten Dübeln haben sich im Hochbau in den letzten Jahrzehnten als flexibel einsetzbare Verbindungsmethode zwischen Komponenten und Stahlbetontragwerken bewährt. Auch im kerntechnischen Bereich wurden nachträglich montierte Dübel zur Befestigung z. B. von Rohrleitungen an Stahlbetonstrukturen eingesetzt. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung von Integrität und Funktionsfähigkeit kerntechnischer Komponenten werden an deren lastabtragende Befestigungen ebenfalls hohe Anforderungen gestellt. Dies gilt insbesondere für außergewöhnliche Einwirkungen z. B. im Falle eines Erdbebens. Durch die Erdbebenerregung des Reaktorgebäudes und der daran befestigten Komponenten sind auch die Befestigungen schwingenden Belastungen ausgesetzt. Kommt es infolge der Erdbebeneinwirkung auf das Tragwerk zu Rissbildung im Beton, können Risse im Verankerungsgrund auch zu einer signifikanten Anzahl von Rissöffnungszyklen führen, die das Last-Verschiebungsverhalten der Dübel beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen bei schwingender Belastung und bei Öffnen und Schließen von Rissen war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben auch in Deutschland, nachdem in deutschen Kernkraftwerken fehlerhaft montierte Dübel festgestellt wurden und dadurch Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf Komponenten entstanden. Die in dieser Dissertation vorgestellten Untersuchungen leisten insbesondere zur numerischen Untersuchung des Tragverhaltens des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung einen Beitrag. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand realitätsnah gewählter numerischer Modelle den Einfluss des lokalen Befestigungstragverhaltens auf das strukturdynamische und –mechanische Verhalten des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden zunächst nach Darlegung der Problemstellung (Kapitel 1), Vorgehensweise und Zielsetzung (Kapitel 2) die notwendigen Grundlagen der relevanten Themengebiete im Stand von Wissenschaft und Technik (Kapitel 3) erarbeitet. Für die Entwicklung eines numerischen Modells des Tragverhaltens einer Befestigung werden zunächst vereinfachte (Rechen-)Modelle und Modellansätze, die in der Literatur zu finden sind, erläutert (Kapitel 4). Anhand dieser analytischen Rechenmodelle wird eine erste Abschätzung der zu erwartenden Dübelverschiebungen infolge Erdbebeneinwirkung durchgeführt. Anschließend wird entsprechend der Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA) eine Erdbebensimulation jeweils für ein Reaktorgebäude und für eine Rohrleitungskomponente durchgeführt (Kapitel 5). Um eine numerische Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu ermöglichen, wird ein numerisches Modell für eine Befestigung mit nachträglich montierten Dübeln auf Basis der zuvor dargestellten vereinfachten Rechenmodelle entwickelt (Kapitel 6). Darüber hinaus werden zulässige Modellvereinfachungen vorgenommen, um den Modellierungs- und Simulationsaufwand bei den Erdbebensimulationen zu reduzieren. Das numerische Modell für die Befestigung wird anschließend bei der numerischen Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung verwendet (Kapitel 7). Abschließend werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit diskutiert (Kapitel 8) und zusammengefasst (Kapitel 9) und ein Ausblick auf weitere Untersuchungen gegeben, die an diese Arbeit anknüpfen können (Kapitel 10).
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    Erläuterung der neuen Bewehrungsrichtlinien DIN 1045, Abschnitt 18, Ausgabe 12/78
    (1979) Rehm, Gallus; Eligehausen, Rolf; Neubert, Bernd
    Die Neubearbeitung hatte zum Ziel, die "Mängel" der bisherigen Fassung zu beseitigen und Regeln für den "Normalfall" zu schaffen, die das Konstruieren erleichtern und die Rationalisierung der Bewehrungsarbeiten fördern. Bei der Bearbeitung wurde davon ausgegangen, da8 die Norm keine "Kochrezepte" liefern kann, die in allen vorkommenden Fällen ohne Detailkenntnisse angewandt werden können und die dabei gleichzeitig das jeweils technisch Machbare beinhalten. Vielmehr wurde vorausgesetzt, daß alle in der Praxis tätigen Ingenieure einen ausreichenden Sachverstand besitzen, um die angegebenen Regeln den jeweiligen Gegebenheiten unter Beachtung der Prinzipien des Stahlbetonbaus anzupassen.
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    Analysis of headed anchors embedded in concrete using a nonlinear fracture model
    (1992) Sawade, Gottfried; Eligehausen, Rolf
    This paper represents an energetical model of the fracture behaviour of concrete where crack opening is considered as time dependent dissipative process. States of mechanical equilibrium can be obtained by simulation of a relaxation process. Applicatlon of this model to calculations of the bearing capacity of anchorages confirms recent approachs based on linear fracture mechanics.
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    Auswirkungen der modemen Befestigungstechnik auf die konstruktive Gestaltung im Stahlbetonbau
    (1984) Rehm, Gallus; Eligehausen, Rolf
    Die wenigen Beispiele zeigen, daß mit der Entwicklung der Befestigungstechnik neue Probleme entstanden sind. Bisher wurden diese Probleme bei der Ableitung der Stahlbetonrichtlinien nicht beachtet. Daher war es erforderlich, die Regeln für Befestigungen so festzulegen, daß keine wesentliche Beeinflussung des Bauteiltragverhaltens zu erwarten war. Um dies zu gewährleisten, wird verlangt, daß Verankerungen nur in der aus Lastspannungen erzeugten Druckzone von Stahlbetonbauteilen angeordnet bzw. nur sehr geringe Lasten in großen Abständen in die Zugzone eingeleitet werden. Diese Regelung ist praxisfremd, weil der die Befestigung Ausführende die genaue Lage der Druckzone im Bauwerk nicht kennt. Weiterhin schränkt sie die Möglichkeiten der Befestigungstechnik ein. Will man diese Möglichkeiten voll ausnutzen, muß der Einfluß der speziellen Lasteinleitung durch Befestigungselemente bei der Ableitung von Konstruktionsregeln für Stahlbetonbauteile berücksichtigt werden, um auch weiterhin ausreichend sichere Bauwerke zu gewährleisten. Dabei sind z. B. Einschränkungen für die Ausbildung von Übergreifungsstößen, für die Anwendung von offenen Bügeln und für die Bemessung von auf Schub unbewehrten Platten zu erwarten.
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    Instrumented monitoring of moisture and salt by electrical impedance measurements
    (2018) Lehmann, Frank; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
    The determination of the moisture content in building materials is a contro versially discussed subject. The only scientifically accepted reference is the gravimetric method, i.e. the moisture assessment of a sample of building material by drying. Yet, even here, disagreements arise from the question of the “correct” drying temperature, which results from the multiple definitions in use for the dry material state. The significance of moisture for a virtually inconceivable number of matters in civil engineering reflects in the nonetheless numerous approaches for its measurement. Some of them are successfully established in practice, despite of the debates on their accuracy and reproducibility. The reason lies in the urgent need for suitable moisture measurement methods. Their use is not totally condemnable, but requires a profound understanding of the underlying physical concepts and the knowledge of each method’s application, possibilities and limitations. The measurement of a material’s electrical impedance for the determination of its moisture content are often viewed especially critical. This objection is justified primarily by the strong influence of salts and other conductive inclusions, such as clay or metals. However, the method has some unique features, which, if applied right, can give valuable insight into processes within the considered material or investigated structure. In contrast to many other methods, it is possible to realize an instrumented monitoring of an object outside of laboratory conditions. The measurement location remains fixed wherever chosen and therefore allows the comprehension of gradual processes, such as drying or accumulation of salts, while offering the possibility to continuously take the ever-changing ambient conditions into account. The focus of this research work lies on putting impedance spectroscopy into practical application. The method itself has long been studied, but only the latest developments of fully integrated impedance converters have made it possible to incorporate impedance functionality into structural health monitoring systems. Their scope regarding accuracy or frequency range is certainly reduced compared to laboratory devices. However, this evolution provides the opportunity for a permanent instrumentation of structures outside of laboratory conditions to assess moisture developments therein. Special attention was set in the research to the development and optimization of suitable impedance electrodes, which show both sufficient durability for instrumented monitoring and minimize the influence of the electric double layer. It was found that nickel-graphite silicon electrodes are well suited. To be capable of understanding impedance data, which is influenced under natural conditions by many factors that do not or only in other ways occur in a protected laboratory environment, it is necessary to study these effects on the impedance. The two main sources of material moisture are the humidity from the air and capillary water. The present thesis regards impedance measurements for qualitative moisture monitoring of porous building materials, particularly sandstone. Long-term measurements were carried out to research the gradually adapting material moisture of different sandstones caused by a change in the ambient relative humidity between 54 and 100 %. The considered sandstone varieties were selected from southern Germany. In detail Abbacher green sandstone, Burgpreppacher sandstone, Main sandstone white-grey, Sander reed sandstone and Trebgaster new red sandstone. Further measurements were performed to study the detectability of water fronts during the capillary rise of water and the subsequent drying process, as well as the influence of temperature changes. To begin with, the scientific motivation for the present work is presented in chapter 1. Chapter 2 introduces the basic concepts of porosity, water storage and transport therein, and the effects of soluble salts in this water. Chapter 3 gives an overview of electrical impedance monitoring with special respect to measurements on porous materials. Possibilities for the temperature compensation of impedance data are presented. The developed device for impedance monitoring is described in chapter 4. Its conception in the global context of other moisture measurement options and with regard to the specific field of monitoring of protected historic structures is examined. The optimization of the impedance electrodes and the choice of a suitable measurement frequency are discussed. Chapter 5 presents the impedance monitoring of sandstone in the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. A look at the time-dependent data collected for different sandstone types during a long-term experiment with stepwise variation of the ambient relative humidity is followed by an analysis of the impedance regarding material moisture and its distribution within the porous network. The measurement of capillary rise of water and a reflection on possible electrode configurations along with their consequences for the detection of capillary water fronts are regarded thereafter. The chapter closes with a description of the procedure for temperature compensation of impedance data. An example of applied impedance monitoring is presented in the concluding chapter 6, which regards both the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. Two more application examples follow, which show a perspective for other applications. The first pictures the monitoring of hydrating screed, the second illustrates the use of impedance monitoring for the assessment of self-healing concrete.
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    Erläuterungen zu DIN 4227, Abschnitt 10
    (1980) Rehm, Gallus; Eligehausen, Rolf
    Durch die in Abschnitt 10 geforderten Nachweise soll ein befriedigendes Verhalten von Spannbetonbauteilen im Gebrauchszustand durch Beschränkung der Breite von eventuell auftretenden Rissen gewährleistet werden.
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    Bond of ribbed bars under high cycle repeated loads
    (1979) Rehm, Gallus; Eligehausen, Rolf
    To determine the bond behavior of ribbed bars under repeated loads, 308 pullout specimens were tested. The specimens failed by pulling out of the bars. In the tests the following parameters were varied: maximum load and load amplitude, bar diameter, concrete quality, and bond Iength. Furthermore, as a comparison, tests under sustained load were carried out. A repeated load has a similar influence on the bond as on the deformation and failure behavior of unreinforced concrete, and it accelerates, in comparison with a sustained load, the nonelastic deformation (slip).
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    Das Oxidationsverhalten und die elektrochemische Charakterisierung von Stählen in Nitratschmelzen bei hohen Temperaturen
    (2019) Rückle, Dagmar; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
    Thermische Energiespeicher werden häufig in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt und basieren auf der Verwendung von Salzschmelzen als Speichermedium. Zur Steigerung der Energieeffizienz sind kontinuierliche Weiterentwicklungen der Technik sowie das Einführen neuer Prozessparameter, wie z.B. höhere Prozesstemperaturen, notwendig. Diese Änderungen wirken sich jedoch häufig auch auf die Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe aus. Ziel dieser Arbeit war es, die veränderten Anforderungen an die Werkstoffe hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, um die Lebensdauer solcher Kraftwerke zu erhöhen und substantielle wissenschaftliche Ergebnisse in diesem Anwendungsgebiet zu erhalten. Das Korrosionsverhalten der Stähle wurde mittels Oxidationsversuchen und gravimetrischer Auswertung bei 560°C untersucht, um die Abtragsraten für verschiedene nichtrostende Stähle und einen hochwarmfesten Stahl in unterschiedlichen Nitratsalzmischungen in Abhängigkeit von der Auslagerungsdauer isotherm und zyklisch bestimmen zu können. Im Anschluss wurden mittels diverser elektronenmikroskopischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden (FIB, REM, EDX; XRD) die Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten hinsichtlich Beschaffenheit, Haftfestigkeit, chemischer Zusammensetzung und der vorliegenden Phasen untersucht, das Wachstumsverhalten der Oxidschichten analysiert sowie der erfolgte korrosive Angriff begutachtet. Weiterhin wurden durch TEM-Untersuchungen die Einflüsse der Nitratsalzschmelze auf die Struktur des Grundwerkstoffs identifiziert. Mittels zwei verschiedener elektrochemischer Prüfmethoden, Stromdichte-Potential-Kurven (I/E) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), wurde das Korrosionsverhalten der Stähle in-situ bei Temperaturen zwischen 410 und 560 °C und in Abhängigkeit von der Reinheit der Salzschmelze analysiert sowie die Stabilität und Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten evaluiert. Die Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Cr,Ni-Stähle erwies sich gegenüber der des hochwarmfesten Cr-Stahls speziell in Salzschmelzen, die Chloridgehalte über 0,5 Gew.-% aufweisen, deutlich überlegen. Der Effekt der Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens vom Chloridgehalt ist der Ausbildung von Fe- bzw. Cr-Chloriden und deren unterschiedlichem Einfluss auf die Stabilität der Oxidschichten zuzuschreiben. Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Oxidschichten ergab für alle untersuchten Stähle Cr,Fe-reiche Oxide, die sowohl als vorwiegend Cr-reiche oder Fe-reiche Oxide sowie als Mischoxide vorkommen. Die Schichten weisen außerdem eine hohe Porosität und eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf. Bei längeren Auslagerungszeiten (3000 h) wurden Auswirkungen der natriumhaltigen Schmelze, sowohl auf das Grundmaterial als auch auf die Oxidschicht, beobachtet. Es entstehen zum einen zusätzlich Na,Fe- reiche Oxidschichten, die aus einer Reaktion mit der Schmelze resultieren und zum anderen wurden im Grundwerkstoff Gefügeveränderungen identifiziert. Beim hochwarmfesten Stahl 1.4903/T91 bildeten sich in der kompletten Matrix nadelförmige Cr-Nitride, während bei 1.4404 in Ni-reichen Körnern an der Grenze zwischen Oxid und Grundwerkstoff Cr,N-reiche runde Ausscheidungen beobachtet wurden. 1.4571 zeigt nach den Auslagerungen eine Sensibilisierung der Korngrenzen, obwohl dieser Stahl mit Titan stabilisiert ist. Durch den zusätzlichen Stickstoffeintrag aus der Schmelze können sich direkt sensibilisierend wirkende Chromnitride an der Korngrenze bilden oder alternativ ist durch die Bildung von Titannitriden nicht mehr genug ungebundenes Titan vorhanden und es bilden sich trotz der Stabilisierung Chromkarbide. Weiterhin wurde die Stabilität der Salzschmelze untersucht. Es wurden Änderungen des Nitrat/Nitrit-Verhältnisses, bedingt durch Zersetzungsreaktionen der Salzschmelze beobachtet und die Tendenz von Chrom zur Lösung in der Salzschmelze festgestellt. Diese unerwünschten Effekte können zu veränderten Eigenschaften der Salzschmelze hinsichtlich ihrer Wärmespeicherkapazität, ihrer generellen Stabilität und ihrer Korrosivität führen. Durch elektrochemische Untersuchungen konnte die Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit vom Cl--Gehalt bestätigt werden sowie eine eindeutige Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der gewählten Temperatur nachgewiesen werden. Die Beständigkeit ist bei 410°C deutlich höher als bei 560°C. Sie sinkt also mit zunehmender Temperatur. Sowohl durch Aufnahme von I/E-Kurven als auch mittels EIS war keine bedeutende Unterscheidung der Werkstoffe unter den gleichen Bedingungen möglich. Allerdings konnte mittels EIS erstmalig die Stabilität und Beständigkeit der Werkstoffe in Nitratsalzschmelzen bei 560°C abhängig von der Dicke und Beschaffenheit der Oxidschichten sowohl qualitativ als auch quantitativ dargestellt werden. Das vorgeschlagene Ersatzschaltbild ermöglicht trotz der Komplexität der Bedingungen eine gute Adaptierung der berechneten Kennwerte auf das vorliegende Korrosionssystem. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass auch andere physikalische Prozesse, die in dieser Arbeit nicht bedacht wurden, eine Rolle spielen könnten. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie eignet sich daher prinzipiell sehr gut, um bei hohen Temperaturen auch in komplexen Elektrolyten einen ersten Eindruck vom jeweiligen Korrosionssystem zu erhalten, sollte aber grundsätzlich durch mikroskopische Analysen ergänzt werden um eine vollständige Aussage treffen zu können. Die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse erweitern den bisher in der Fachliteratur präsentierten Kenntnisstand des Korrosionsverhaltens von verschiedenen anwendungsrelevanten Stählen in Nitratsalzschmelzen und ermöglichen damit für Planer und Konstrukteure eine gezieltere Materialauswahl.