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Über dieses Buch

Die Forschungsvereinigung Baustatik-Baupraxis veranstaltet in dreijährigem Rhythmus ein mehrtägiges Forschungskolloquium für die Mitglieder der Lehrstühle und Institute für Statik an deutschsprachigen Hochschulen. In diesem Rahmen erhalten die wissenschaftlichen Mitarbeiter und Doktoranden die Möglichkeit, Zwischenergebnisse ihrer Dissertation zu präsentieren und mit ihren Kollegen und den Professoren zu diskutieren. Das Forschungskolloquium 2018 findet vom 03.10.2018 bis 06.10.2018 im Hotel Siegfriedbrunnen in Grasellenbach statt. Die Kurzfassungen der eingereichten Vorträge werden in diesem Buch abgedruckt und geben einen Überblick zu den gegenwärtigen Forschungsaktivitäten an deutsprachigen Statiklehrstühlen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Schädigungsbewertung in hochfestem/ultrahochfestem Beton mittels linearer und nichtlinearer Ultraschalltechnik

Aufgrund der rasanten Entwicklung neuartiger und optimierter Konstruktionswerkstoffe entsteht hieraus sogleich die Forderung nach einer sinnvollen Charakterisierung dieser Materialien bezüglich ihrer mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften. Im Bauwesen konnten in den letzten Jahrzehnten Hochleistungsbetone entwickelt werden, die bei hohen Druckfestigkeiten und optimierten Eigenschaften im mechanischen, physikalischen und chemischen Verhalten gleichzeitig die Anforderungen für baupraktische Anwendungen erfüllen. Die Kenntnis über die genauen mikromechanischen Vorgänge bei quasistatischer Beanspruchung sowie die Bewertung von Schädigungsprozessen in diesen Materialien sind hierbei von entscheidender Bedeutung, um für zukünftige Anwendungen einen sicheren und optimalen Einsatz gewähren zu können. Gleichzeitig nimmt im Zuge der Zustandsüberwachung von Bauwerken die Bedeutung von zerstörungsfreien Prüfmethoden zu.

Benjamin Ankay, Chuanzeng Zhang

Coupling between Shell and Generalized Beam Theory (GBT) elements

This work presents a procedure to couple shell and Generalized Beam Theory, GBT, elements. The main focus of this procedure is the possibility to model mixed beam frame structures, which the traditional shell elements are applied at the joints and GBT elements are used to model the beams/columns. Such modeling technique can use the benefits of both elements. At the joints, shell elements can easily simulate different types of geometry conditions and details, such as stiffeners and holes; meanwhile, for the beams and columns, GBT can provide high performance, accuracy and an easy modeling approach with clear results.

Marcelo J. Bianco, Carsten Könke, Abinet Hatbemariam, Volkmar Zabel

Mehrphasensimulationen von experimentellen Tests zum zeitabhängigen Materialverhalten von Beton

Eine weitverbreitete Maßnahme für die vielfach notwendigen Instandsetzungen und Verstärkungen von Brücken ist das Anbringen von Aufbeton auf dem bestehenden Tragwerk. Unzulänglichkeiten in der Bemessung und der Ausführung können dabei zu Schäden wie etwa Rissen oder lokaler Delamination führen [1]. Die primäre Ursache dieser Phänomene ist das Schwinden des Aufbetons, welches durch das bestehende Tragwerk behindert wird und damit Zugspannungen im Aufbeton induziert.

Andreas Brugger, Peter Gamnitzer, Günter Hofstetter

Dynamic fracture modelling using Peridynamics

Understanding and predicting crack propagation in brittle and quasi-brittle materials, which always is a dynamic process on some scale, is of crucial importance in a number of applications. One example specifically of interest for the presentation is the excavation of tunnels by means of disc cutters, which is based on the dynamic fragmentation of the rock at the tunnel face to advance the tunnel boring machine. Although various models based on discrete and continuum numerical representations of fracture propagation at various spatial scales have been proposed since the 1970s, a complete theory able to describe the process of dynamic fracture quantitatively still does not seem to be available. Nucleation and propagation of even a single crack couples various physical mechanisms on widely varying spatial and temporal scales.

Sahir N. Butt, Günther Meschke

Innovative circular fiber reinforced elastomeric isolation devices

Seismic base isolation by introducing a flexible horizontal layer at the foundation level of a structure has proven to significantly reduce the seismic demand. Recently fiber reinforced elastomeric bearings (FREBs) consisting of alternating layers of elastomeric material and carbon or fiber glass fabric have awaken interest as replacement for the conventional steel reinforced elastomeric bearings (SREBs). FREBs bring advantages as reduction of production and transport costs, while maintaining a high bearing capacity. To understand the response of fiber reinforced elastomeric bearings under seismic loads it is fundamental to investigate their relevant mechanical properties for seismic isolation, effective shear modulus and equivalent damping ratio, as international codes provide only a rough approximation of their mechanical behavior.

Pablo Castillo Ruano, Alfred Strauss

Generalized cavitation criterion for poro-hyperelastic materials

A cavitation criterion defines a failure surface in three-dimensional stress space, which represents the onset of excessive void growth and therefore the strong degradation of the bulk modulus considering rubber-like materials [2, 3]. The damaging effect of cavitation was analyzed experimentally by Busse [1], Yerzley [9] and later Gent & Lindley [5]. In the pioneering work of Gent & Lindley [5], two flat cylinders vulcanized with thin sheets of natural rubber were tested in axial tension.

M. Drass, V. A. Kolupaev, P. L. Rosendahl, J. Schneider, W. Becker

Finite Elemente Modell des Kurpsai Staudamms und aktueller Stand dessen Validierung mithilfe eines speziellen Überwachungskonzepts

Der Beitrag behandelt einen Teil der Arbeit innerhalb des Projektes MI-DAM “Multiparameter monitoring and risk assessment of hydro-electric dams in the Kyrgyz Republic”, welches durch das Bundesamt für Bildung und Forschung finanziert wird.

Waldemar Elsesser, Yuri Petryna, Philipp Kähler

Numerische Implementierung von Methoden zur Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Interaktion

Baustrukturen, die für die Gesellschaft von entscheidender Bedeutung sind, wie kritische Infrastrukturen, militärische Einrichtungen und Kraftwerke, bedürfen besonderer Berücksichtigung bei der Planung und Konzeption und müssen sehr hohen Sicherheitsstandards genügen und Terroranschlägen, Flugzeugabstürzen und Explosionen standhalten. Bauwerke, die solch hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, verursachen Schwingungen im Boden, die sich in Form von Wellen ausbreiten. Die Wellen selbst bewirken eine Veränderung des dynamischen Verhaltens der Struktur.

Arthur Feldbusch, Hamid Sadegh-Azar

Mehrfeldmodellierung von Beton mit der Diskrete Elemente Methode

Beton ist der am häufigsten eingesetzte Baustoff im Bauwesen. Aus den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ergeben sich eine Vielzahl von internen und externen Einflüssen über die Standzeit eines Bauwerks. Genaue Kenntnisse und die mathematische Modellierung der gekoppelten chemischen, thermischen und mechanischen Prozesse sind wichtig, um das Verhalten von Materialien und Konstruktionen vorherzusagen.

Christian Flack, Dieter Dinkler

Ein finites Stab-Aktor-Element und seine Anwendung in der Optimierung adaptiver Tragwerke

In der Simulation von adaptiven Tragwerken wird die Aktuierung häufig durch Einführung zusätzlicher Lastfälle oder Randbedingungen modelliert. Insbesondere bei der Berücksichtigung geometrisch nichtlinearer Effekte bedeutet dieses Vorgehen einen relativ hohen Modellierungsaufwand. Wir stellen ein finites Stab-Aktor-Element zur statischen und transienten Simulation von adaptiven Fachwerkstrukturen vor, das die Aktorwirkung beinhaltet und so den Modellierungsaufwand verringert sowie potentielle Fehlerquellen vermeidet.

Jan Gade, Florian Geiger, Malte von Scheven, Manfred Bischoff

Schwingungsmessungen an Brücken mit Hilfe von Smartphones

Die Messung von Schwingungen an Brücken ist eine gängige Methode um den Zustand eines Bauwerks zu überwachen. Obwohl immer wieder die Forderung nach dauerhaftem Monitoring an Brücken gestellt wurde, hat sich das sogenannte Life-Cycle-Monitoring noch nicht durchsetzen können. Eine flächendeckende, dauerhafte Überwachung von Brücken könnte mit günstigeren Sensoren realisiert werden. Diese sind beispielsweise in einem Smartphone vorhanden und bieten zusätzlich den Vorteil einer vorhandenen Recheneinheit (Prozessor, RAM).

Maximilian Garsch, Norbert Gebbeken

Mikrophysikalisch begründete Modellierung der Verbundwirkung in faserbewehrtem Ultrahochleistungsbeton (UHPFRC) unter zyklischer Zugbeanspruchung

Das Materialverhalten von ultrahochfesten Betonen mit Druckfestigkeiten oberhalb von ca. 140 N/mm2 ist durch eine äußerst hohe Sprödigkeit und ein explosionsartiges Versagen gekennzeichnet. In der Regel werden diesen Betonmischungen zur Verbesserung des Last-Verformungsverhaltens sowie der Tragsicherheit Fasern zugegeben.

Svenja Höper, Ursula Kowalsky, Dieter Dinkler

Numerical modelling of thermally induced crack propagation in functionally graded materials using the scaled boundary finite element method

Thermal shocks or rapid temperature changes cause thermal stresses in the material. These thermal stresses can produce very sudden cracks in brittle materials such as ceramics. The modelling of such fracture and damage processes is a very challenging task due to the rapid and almost random development and growth of these cracks.

Muhammad Danish Iqbal, Carolin Birk

Form- und Systemoptimierung für Rahmentragwerke

Eine optimale Tragwerkskonstruktion soll bei niedrigem Materialverbrauch eine möglichst hohe Traglast aufweisen. Die ganzheitliche Optimierung einer bereits geplanten oder aber die Neuplanung einer Rahmenkonstruktion agiert hierbei auf zwei Ebenen. Die Topologieoptimierung liefert zunächst das grundlegende Konzept und legt die maßgeblichen Charakteristiken der Struktur fest wie z.B.

Alexander Keller, Ingo Münch, Werner Wagner

Cellular Automata in Engineering Calculations

Cellular Automata (CA) are simple mathematical models for systems in which many components act together to produce complicated patterns of behaviour. CA are used to investigate self-organization in statistical mechanics; they serve as discrete approximation to partial differential equations and provide models for wide variety of natural systems. They are sufficiently simple to allow detailed mathematical analysis, yet sufficiently complex to exhibit a wide variety of complicated phenomena [1]. It can be said that CA are a mathematical idealization of physical system where both time and space are discrete [2] or an alternative mathematics [3].

Jakub Konarski

Polymorphe Unschärfemodelle in der Mehrskalenmodellierung verstärkter Betonstrukturen

Eine zuverlässige Berechnung von Strukturen ist ohne eine realitätsnahe numerische Modellierung sowie der Berücksichtigung der adäquaten Abbildung der Unschärfe in zugrunde liegenden Daten nicht korrekt möglich. In diesem Beitrag wird der methodische Umgang und Einfluss polymorpher Unschärfe in der numerischen Struktursimulation betrachtet.

Ferenc Leichsenring, Wolfgang Graf, Michael Kaliske

Studying structural behavior by use of wave propagation method: application to RC building and footbridge

For civil engineers, dynamic behavior of the structures can be obtained by the traditional modal analysis. Natural frequencies and mode shapes are important dynamic characteristics of the structure. Therefore, the measurement of natural frequencies is widely used for the structural health monitoring (SHM). However, the change of the mode shape or the natural frequency may be resulted from the environment effect too.

Chun-Man Liao

Untersuchung des out-of-plane Verhaltens von unbewehrten Mauerwerkswänden unter Erdbebenbeanspruchung

Mauerwerk findet auf Grund seiner einfachen Herstellung und seiner guten Trageigenschaften in unterschiedlicher Form überall auf der Welt Anwendung. Vielerorts ist neben der Bemessung von Mauerwerkswänden für statische Lasten auch die Berücksichtigung von Erdbebenbeanspruchungen notwendig. In diesem Lastfall haben die Belastungen quer zur Ebene (Out-of-Plane) oft einen erheblichen Einfluss auf die Tragfähigkeit der Mauerwerkswände.

Moritz Lönhoff, Hamid Sadegh-Azar

Schwingung und Wellenausbreitung in vorverformten periodischen gitterartigen Rahmenstrukturen

Die Optimierung von Materialien und Strukturen hinsichtlich ihrer Schwingungs- und Wellenausbreitungseigenschaften ist ein wichtiges Forschungsgebiet. Periodische Materialien und Strukturen, beispielsweise phononische Kristalle, können die Eigenschaften der mechanischen Schwingungen und elastischen Wellenausbreitung manipulieren [1]. So ist es zum Beispiel möglich, die sogenannten Bandlücken (Bandgaps) zu erzeugen, die die Ausbreitung von mechanischen Schwingungen und elastischen oder akustischen Wellen in bestimmten Frequenzbereichen (Bandlücken) verhindern [2].

Marius Mellmann, Chuanzeng Zhang

Effiziente Vorhersage des Schalldämmmaßes komplexer Strukturen mit der Spektralelemente-Methode

In vielen Anwendungsbereichen müssen Strukturen gleichzeitig mehrere Hauptaufgaben, wie beispielsweise die thermische Isolierung und die Schalldämmung, erfüllen. Die Leistungsfähigkeit solcher Strukturen kann durch eine multikriterielle Optimierung verbessert werden, wobei jedoch die dazu definierte Zielfunktion hinreichend effizient evaluiert werden muss, um den Optimierungsprozess in einem vertretbaren zeitlichen Rahmen zu halten.

Elias Perras, Chuanzeng Zhang

Prediction of the 2D macro-scale fragmentation of tempered glass using random Voronoi tessellations

Thermally tempered glass will fragmentize completely into many pieces, if the equilibrated residual stress state within the glass plate is disturbed sufficiently and if the elastic strain energy in the glass is large enough [1], [2], [3], the fragmentation is the direct consequence of the elastic strain energy that is stored inside the material due to the residual stress state [4],[5]. The fragment size depends on the amount of the stored energy. Small fragments are caused by highly stored strain energy due to the high residual stress state originating from the extremely rapid cooling.

N. Pourmoghaddam, Michael A. Kraus, J. Schneider, G. Siebert

Adaptive FE2 – Methode für die Simulation von FGL-Matrix Kompositen

Die Anwendung von Formgedächtnislegierungen (FGL) im Bauwesen ist eine noch recht junge Möglichkeit, die Materialeigenschaften von klassischen Baumaterialien wie beispielsweise Beton zu verbessern. FGL-Fasern gehören zur Gruppe der Funktionsmaterialien und zeigen ein starkes nichtlineares Spannung-Dehnungs-Temperatur-Verhalten. (Abb. 1).

Maximilian Praster, Sven Klinkel

Oberflächenorientierte finite Elementformulierung für die numerische Analyse von heterogenen Körpern

Dieser Beitrag befasst sich mit einer numerischen Oberflächenorientierten Elementformulierung und basiert auf die sogenannte Scaled-Boundary-Finite-Elemente-Methode (SBFEM). Die SBFEM ist eine semi-analytische Methode zur Analyse von linearen Probleme in der Festkörpermechanik, siehe [1]. Dieses Verfahren erlaubt ein durch seine Oberfläche beschriebener Körper direkt für die numerische Analyse zu verwenden, ohne dabei seine innere Struktur weiter zu erfassen. Die Grundidee besteht darin, die Oberfläche des Körpers bzgl. eines Zentrums zu skalieren.

Rainer Reichel

Particle Finite Element Simulation of Fresh Concrete for 3D Printing Applications

The material behaviour of concrete and fiber reinforced structures is dependent on the casting process like filling the formwork or compaction. Consequently, analysing the flow behaviour of fresh concrete during casting is of great interest to better understand the influence of the casting process.

Janis Reinold, Günther Meschke

Einfluss der Geometrieapproximation auf die Stabilitätsanalyse von Schalentragwerken

Die Untersuchung der Stabilität von Tragwerken mit einem stark nichtlinearen Struktur-verhalten stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Viele dieser Tragwerke reagieren ausgesprochen empfindlich auf kleinste Änderungen der Geometrie. Um bei klassischen FE-Berechnungen zufriedenstellende Ergebnisse für die Stabilitätsanalyse zu erhalten, muss das verwendete Netz in der Regel sehr fein sein, um die Modellgeometrie der echten Tragwerksgeometrie so gut wie möglich anzunähern.

Steffen Roth, Manuel Fröhlich, Florian Geiger, Bastian Oesterle, Manfred Bischoff

Einfluss der Materialgesetze von Gebirge und Spritzbeton in numerischen Simulationen des Tunnelvortriebs

In numerischen Berechnungsmodellen von Tunnelvortrieben sind die konstitutiven Gesetze der vorherrschenden Materialien, wie z.B. des umliegenden Gebirges und der Spritzbetonschale, von großer Bedeutung. In der Ingenieurspraxis wird das vorliegende, hochgradig nichtlineare Materialverhalten häufig durch verhältnismäßig einfach formulierte Materialgesetze abgebildet. Die weitreichenden Vereinfachungen gegenüber dem realen mechanischen Verhalten verhindern die Berücksichtigung wesentlicher Einflüsse, wie beispielsweise das Auftreten von plastischen Verformungen im Vorbruchbereich sowie die Reduktion von Steifigkeit und Festigkeit infolge Materialschädigung. Um diesen Unzulänglichkeiten Rechnung zu tragen und somit die Prognosefähigkeit von numerischen Simulationen des Tunnelvortriebes zu verbessern, liegt der Fokus dieses Beitrages darin, den Einfluss höherwertiger Materialmodelle für Gebirge und Spritzbeton im Vergleich zu herkömmlichen Materialmodellen zu untersuchen.

Magdalena Schreter, Matthias Neuner, Günter Hofstetter

Numerische Rissabbildung mit einem Phasenfeldmodell auf Basis einer rissrichtungsabhängigen Zerlegung des Spannungstensors

Die vereinfachte Bemessung von tragenden Strukturen aus Beton basiert auf den Annahmen eines linear-elastischen Materialverhaltens mit vernachlässigbarer Zugfestigkeit und dem Ansatz statischer bzw. quasi-statischer Lasten. Für die Beurteilung der Standsicherheit unter außergewöhnlichen Lasten (Erdbeben, Anprall etc.) sind zusätzliche Phänomene einzubeziehen. Neben der Berücksichtigung von Trägheitseffekten sind vor allem die Interaktion zwischen Bauwerk und Belastung sowie das nichtlineare Materialverhalten zu erfassen.

Christian Steinke, Michael Kaliske

Konzeptionierung einer Evaluierungsbeispieldatenbank zur Qualitätssicherung softwaregestützter Tragwerksberechnung

Die Berechnung von Tragwerken führt der Statiker heutzutage fast ausschließlich softwaregestützt durch. Für die Richtigkeit der Ergebnisse haftet er alleine. In Bezug auf die Qualitätssicherung der Software kann er sich nur auf die Eigenüberwachung der Softwarehersteller stützen.

Kirsten Stopp

FEM Analyse im Ingenieurbau – wie genau sind 3D Modelle? Ein Großversuch an Hochhäusern soll die Planungssicherheit erhöhen

Der Etablierung der BIM-Arbeitsweise in der Tragwerksplanung ist es zu verdanken, dass immer anspruchsvollere Großprojekte realisiert werden können. Die Verwendung eines zentralen Gebäudemodells bringt große Vorteile für die Statik mit sich. Mit geeigneten Analyseprogrammen (3D-FEM- Programme) können dreidimensionale Gebäudemodelle sehr gut in die Tragwerksplanung integriert werden.

Georg Trauner

Numerical investigation of axisymmetric thin-walled shells using the scaled boundary finite element method

Over the last decades thin-walled shell structures have been a topic of ongoing interest in research activities. The main reason for the sustained interest is the wide scope of application of thin-walled shells throughout numerous fields of engineering. The efficient load-carrying behaviour of thin-walled shells lead to more complex designs. While it is desirable to have less constraints in the design process, limitations of analytical solutions demand for the use of numerical analyses.

Milan Wallner, Carolin Birk, Hauke Gravenkamp

Numerische Simulation von Heckenpflanzen unter Explosionsbelastungen

Die Bedrohung durch terroristische Anschläge in Europa generiert ein wachsendes Schutzbedürfnis in der Bevölkerung. Daher sind insbesondere im innerstädtischen Raum bauliche Maßnahmen gefordert, die die Eintretenswahrscheinlichkeit und das Schadensausmaß terroristischer Anschläge wirkungsvoll senken können. Das Bedrohungsspektrum ist dabei sehr vielfältig und reicht von Messerattacken bis hin zu Anschlägen mit Explosivstoffen.

Paul Warnstedt, Norbert Gebbeken

Zur Fuzzy-stochastischen Analyse in der Strukturdynamik mittels Metamodellen

Parameter zur Beschreibung mechanischer Systeme unterliegen in der Realität Unschärfen. Gerade Bemessungen bezogen auf dynamische Effekte, beispielsweise die gegen Erdbeben, müssen deshalb oft mit hohen pauschalen Sicherheitsparametern ausgestattet werden. Mit Berücksichtigung der Parameterunschärfen könnte man diesem Umstand entgegenwirken.

Patrick Weber, Marc Fina, Werner Wagner

Methode zur Kopplung von molekular- und kontinuumsmechanischen Modellen im Kontext kohlenstoffbasierter Strukturen

Aufgrund ihrer exzellenten mechanischen Eigenschaften sind kohlenstoffbasierte Strukturen für viele technische Anwendungen besonders interessant. Zur Beurteilung der Tragfähigkeit solcher Strukturen werden i.A. molekularmechanische Modelle eingesetzt, die die lokalen Effekte auf atomarer Ebene beschreiben können. Da diese Modelle nicht zur Simulation von Strukturen im Ingenieurmaßstab geeignet sind, müssen geeignete Mehrskalenmodelle entwickelt werden, die molekular- und kontinuumsmechanische Modelle miteinander koppeln.

Qige Zheng, Jens Wackerfuß

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