FG Hybride Konstruktionen - Massivbau
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Ressourcen- und energieeffiziente Konstruktionen : 28. Brandenburgischer Bauingenieurtag BBIT 2024
(2024)
Der 28. Brandenburgische Bauingenieurtag 2024 an der BTU Cottbus-Senftenberg widmet sich den angestrebten Zielen einer Ressourcen- und Klimaneutralität. Möglich wird dies durch innovative Ansätze und interdisziplinäre Planungs-, Bau- und Betriebsprozesse. Die Referenten zeigen Herausforderungen und Lösungen bei der Entwicklung klimaneutraler Baustoffe und Bauteile sowie deren Weiterverwendung und Kreislauffähigkeit. Darüber hinaus werden Erkenntnisse zur Ertüchtigung und Erhaltung vorhandener Bausubstanz sowie zu leichten, hybriden und adaptiven Konstruktionsansätzen vorgestellt.
The accelerated urbanization has led to increasing tension on urban land use. In this context, more and more slender high-rise buildings are being built worldwide in pursuit of better economic benefits. However, these structures are susceptible to wind excitation due to their lower first natural frequency. Different passive, semi-active, and active damping systems have been developed to reduce wind-induced structural vibration. Among them, the tuned mass dampers are widely used and proved as a very effective method in practice. However, this system requires a large additional damping mass. This also causes additional reinforcement, which increases the cost and carbon footprint. A huge space near the top story of the building is needed for the installation. In this research, a novel system named distributed-Multiple Tuned Facade Damping (d-MTFD) system is proposed by using specially designed parallel moveable Double-Skin Facade (DSF) outer skin as damping mass. These moveable facade elements can be installed on the upper stories of the high-rise building. Smooth-running guide rail systems are used to achieve the parallel moveability. Multi-objective optimization based on the Genetic Algorithm (GA) is applied to reduce the maximum top floor acceleration (Objective I) and to reduce the maximum facade relative displacement (Objective II) simultaneously. The optimization results for the passive and semi-active systems are presented in the form of the Pareto front. The trade-off between these selected two competing optimization objectives is observed. This approach was first validated in a simulation using a 306 m tall reference building for a wind speed of 13.5 m/s at 10 m above ground level with a return period of 10 years. Acceptable peak accelerations at the top story for hotel use and a maximum facade relative displacement of less than ±0.5 m could be achieved for the benchmark building with the d-MTFD system. For semi-active control, the variable damping coefficient can be achieved by using stepper motors in generator mode. The electrical damping coefficient can be continuously adjusted by the developed power electronics. In addition, electrical energy can be generated and stored in a battery. A full-scale prototype with one parallel moveable facade element was built. Based on the prototype, the functionality of the semi-active control using a stepper motor and its energy harvesting performance was tested by applying Hardware-in-the-Loop (HiL) simulations. Greybox system identification was used to estimate some parameters (spring stiffness, friction, etc.) in the connection. The accurate system identification results ensure further validation using HiL simulations. The HiL simulations successfully demonstrated the feasibility of a self-powered semi-active d-MTFD system.
Auf Grundlage der Wahrscheinlichkeitstheorie werden in dieser Arbeit zuverlässigkeitstheoretische Untersuchungen von schlanken bi-axial beanspruchten Stahlbetonstützen durchgeführt. Die Wahrscheinlichkeitstheorie beschreibt und analysiert dabei Situationen, bei denen Zufall und insbesondere Unsicherheiten vorhanden sind. Die Untersuchungen des Zuverlässigkeitsproblems erfordern die Entwicklung und Implementierung eines komplexen probabilistischen Modells. Neben der deterministischen strukturmechanischen Grundlösung erfolgt zur Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit die Erfassung von Unsicherheiten in einem stochastischen Modell. Als strukturmechanische Grundlösung wird ein deterministisches Berechnungsmodell auf Basis der Finiten Elemente Methode entwickelt. Das dafür genutzte Bernoulli-Navier-Balkenelement erlaubt die geometrisch und physikalisch nichtlineare Auswertung der notwendigen impliziten Grenzzustandsfunktion. Die Brauchbarkeit des numerischen Modells zur Abbildung des Tragverhaltens wird im Zuge der Validierung und der Bestimmung der Modellunsicherheiten bestätigt. Ergänzend werden Vergleichsstudien anhand von ausgewählten Experimenten durchgeführt. Aufgrund komplexer Grenzzustandsfunktionen kommen Monte Carlo Methoden zur Anwendung. Dabei ist es wegen der geringen Zielwahrscheinlichkeit im Bauwesen von ca. 10−6 notwendig, die Varianz der Schätzfunktion zu vermindern, um den numerischen Aufwand auf ein effizientes Maß zu reduzieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird dazu die Quasi-Monte Carlo Methode auf strukturmechanische Fragestellungen adaptiert. Es werden im Unterschied zur klassischen Monte Carlo Simulation quasi-Zufallszahlen aus mathematischen Folgen kleiner Diskrepanz generiert. Für stochastische Zustandsgrößen und Verteilungsfunktionen werden wichtige Parameter zur Beschreibung von Material-, Geometrie- und Lastgrößen bereitgestellt. Auf Basis des entwickelten probabilistischen Modells werden systematische Untersuchungen von schlanken Stahlbetonstützen vorgestellt. Dabei werden das Sicherheitskonzept des Eurocode 2 sowie das Sicherheitsniveau des Modellstützenverfahrens nach Model Code 1990 genauer untersucht. Neben der Berechnung des Zuverlässigkeitsniveaus wird der Einfluss einzelner Parameter im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse bestimmt.
Charakteristik und Modellbildung des Verbundtragverhaltens von einlagigen Rundlitzenseilen in Beton
(2004)
Die vorliegende Arbeit beschreibt das Verbundverhalten von einbetonierten einlagigen Rundlitzenseilen 6 x 19 Standard. Die Grundlage für die Modellbildungen stellen experimentelle Untersuchungen von einbetonierten Drahtseilen dar. Es ist unter Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften der Drahtseile ein modifizierter RILEM-Pull-Out Test entwickelt worden. Die Ergebnisse einer zweiten Versuchsreihe zeigen das bisher unbekannte Verhalten des betondurchdrungenen Drahtseils. Die Erfassung des Dehnverhaltens des Seils ist somit möglich. Die Modellbildung beschreibt das Verbundverhalten durch eine Definition der Verbundspannungs-Verschiebungs-Beziehung. Das nichtlineare Materialverhalten der einbetonierten Drahtseile wurde durch die Entwicklung einer Gleichung zur Bestimmung des Tangentenseilelastizitätsmoduls berücksichtigt. Hiermit ist die Möglichkeit geschaffen, das Verbundverhalten über eine bestimmte Einbettungslänge mit Hilfe einer adaptierten Differentialgleichung des verschieblichen Verbundes und der Methode der Finiten Elemente auszuwerten.
Die Holz-Beton-Verbundbauweise kam bislang bei Rad- und Fußwegbrücken kaum zum Einsatz. Eine Ursache dafür ist die Tatsache, dass das Trag- und Verformungsverhalten der wenigen für die Übertragung der hohen Schubkräfte zwischen Holz und Beton geeigneten Schubverbindungsmittel bisher nur unzureichend experimentell untersucht wurden und somit dem planenden Ingenieur keine statistisch gesicherten Bruchlasten und Verschiebungsmoduln zur Verfügung stehen. In der vorliegenden Arbeit ist das Trag- und Verformungsverhalten von zwei neu entwickelten Schubverbindungsmitteln, der Polymerbeton- sowie der Konsol-Nocke, mit Hilfe von Bauteilversuchen umfangreich analysiert worden. Auf der Grundlage von Kurzzeit-Scherversuchen wurden für beide Schubverbindungsmittel Nachweisverfahren erarbeitet, die eine Bemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit ermöglichen. Mit Hilfe von Langzeit-Scher- und -Biegeversuchen wurde neben dem zeitabhängigen Verhalten der gesamten Verbundkonstruktion auch das Kriechverhalten der Schubverbindungsmittel experimentell untersucht. Das beobachtete Langzeitverhalten der experimentell untersuchten Verbundträger konnte mit Hilfe eines einfachen numerischen Simulationsprogramms, das im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde, hinreichend genau beschrieben werden. Da numerische Verfahren für die praktische Anwendung nur bedingt geeignet sind, wurde ein Näherungsverfahren abgeleitet, mit dem das Langzeitverhalten von Verbundkonstruktionen aus Holz und Beton vorherbestimmt werden kann. Dieses vereinfachte Nachweisverfahren berücksichtigt neben dem unterschiedlichen Kriechverhalten von Holz und Beton erstmalig auch das Schwinden bzw. Quellen dieser Baustoffe sowie das zeitabhängige Verhalten der Schubverbindungsmittel.
Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit sind grafische Bemessungshilfen in Form von Interaktionsdiagrammen für Stahlbetondruckglieder mit zweiachsiger Biegung. Bei der Anwendung der Diagramme wird die bisherige Einschränkung auf den ebenen Fall aufgehoben. Es stellt sich somit der ebene Fall lediglich als Sonderfall des räumlichen Zustandes dar. Grundlage für das verwendete Rechenverfahren nach Theorie II. Ordnung ist eine von der Ebene auf den Raum erweiterte Modellstütze. Diese virtuelle Kragstütze mit gleichen oder unterschiedlichen Ersatzlängen in den beiden Achsrichtungen dient als statisches System, an welchem alle Berechnungen durchgeführt werden. Es zeigte sich, dass die Verwendung der Betonarbeitslinie die ursprünglich nur für die Querschnittsbemessung vorgesehen ist, auch bei Anwendung in der Traglastberechnung zu einer guten Übereinstimmung zwischen rechnerischen und experimentellen Ergebnissen führt. Die Mitwirkung des Betons auf Zug zwischen den Rissen ("Tension-stiffening"-Effekt) sollte beim Tragfähigkeitsnachweis nicht angesetzt werden, da dadurch die Traglasten teilweise erheblich überschätzt werden.