Eine Plattform für die Wissenschaft: Bauingenieurwesen, Architektur und Urbanistik
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Zur Erfassung hygrothermischer Einflüsse auf das nichtlineare Trag- und Schädigungsverhalten von Stahlbetonflächentragwerken
Während ihrer Nutzungsdauer werden Stahlbetontragwerke neben den mechanischen Belastungen auch durch weitere umgebungs- und betriebsbedingte Einwirkungen beansprucht. Die Schadensdiagnostik an bestehenden Konstruktionen zeigt, dass Schädigungen häufig durch ein Zusammenwirken der dynamischen Einwirkungen aus Wind und Verkehr mit den hygrisch und thermisch induzierten Zwang- und Eigenbeanspruchungen verursacht werden. Zur numerischen Simulation derartiger Schädigungsprozesse in Stahlbetonflächentragwerken wird eine gekoppelte thermo-hygromechanische Materialformulierung entwickelt und unter Verwendung der Finite-Element-Methode umgesetzt. Als Ausgangspunkt dient dabei eine zeitinvariante Stahlbetonmodellierung, welche die wesentlichen Phänomene der physikalischen Nichtlinearitäten erfasst. Als Analysekonzept wird eine zeitvariante Multi-Level-Iterations-Strategie verwendet. Zur Beschreibung der zeitlich und örtlich veränderlichen Feuchte- und Temperaturverteilung im Beton werden gekoppelte Bilanzgleichungen formuliert. Um die in Flächentragwerken überwiegend in Dickenrichtung verlaufenden Ausgleichsvorgänge abzubilden, wird daraus ein Berechnungsverfahren abgeleitet und in ein neu entwickeltes, auch eigenständig lauffähiges Programmmodul implementiert. Die resultierenden Zustandsgrößen dienen als Grundlage zur Bestimmung der thermisch und hygrisch induzierten Verzerrungen und resultierenden Beanspruchungen des Tragwerks. Unter der Annahme einer additiven Zerlegung der Gesamtverzerrungen werden diese in der Simulationstechnik auf der Materialpunktebene erfasst. Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht, neben den Zwangbeanspruchungen auch die ebenfalls auftretenden Eigenspannungen in der Modellierung zu berücksichtigen. Die Einbindung der Materialformulierung erfolgt in ein vierknotiges, isoparametrisches und schubweiches Schalenelement, welches auf einer mittelflächenorientierten, rotationsvariablenbehafteten Schalentheorie basiert. Die Modellvorstellungen werden anhand von aussagekräftigen Berechnungsbeispielen verifiziert. Durch die Anwendung des Simulationskonzeptes zur Untersuchung der thermo-hygro-mechanischen Schädigungsentwicklung einer Kühlturmschale und der thermo-mechanischen Schädigungsentwicklung eines Spannbetonturms einer Windenergieanlage wird ein möglicher Anwendungsbereich aufgezeigt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die lastunabhängigen Einwirkungen nicht nur die Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit derartiger Tragwerke beeinträchtigen, sondern auch Auswirkungen auf die Tragfähigkeit haben können. Dabei liefern globale Schädigungsindikatoren einen zusätzlichen Eindruck über den Verlauf schädigungsbedingter Steifigkeitsdegradationen. Derartige Schädigungsanalysen können dazu genutzt werden, Stahlbetontragwerke bereits in der Planungsphase schädigungsresistenter und damit dauerhafter auszulegen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, sie auch zur Beurteilung der Effektivität von geplanten Sanierungsmaßnahmen bereits geschädigter Tragwerke einzusetzen und deren Restlebensdauer wirklichkeitsnah zu prognostizieren.
Zur Erfassung hygrothermischer Einflüsse auf das nichtlineare Trag- und Schädigungsverhalten von Stahlbetonflächentragwerken
Während ihrer Nutzungsdauer werden Stahlbetontragwerke neben den mechanischen Belastungen auch durch weitere umgebungs- und betriebsbedingte Einwirkungen beansprucht. Die Schadensdiagnostik an bestehenden Konstruktionen zeigt, dass Schädigungen häufig durch ein Zusammenwirken der dynamischen Einwirkungen aus Wind und Verkehr mit den hygrisch und thermisch induzierten Zwang- und Eigenbeanspruchungen verursacht werden. Zur numerischen Simulation derartiger Schädigungsprozesse in Stahlbetonflächentragwerken wird eine gekoppelte thermo-hygromechanische Materialformulierung entwickelt und unter Verwendung der Finite-Element-Methode umgesetzt. Als Ausgangspunkt dient dabei eine zeitinvariante Stahlbetonmodellierung, welche die wesentlichen Phänomene der physikalischen Nichtlinearitäten erfasst. Als Analysekonzept wird eine zeitvariante Multi-Level-Iterations-Strategie verwendet. Zur Beschreibung der zeitlich und örtlich veränderlichen Feuchte- und Temperaturverteilung im Beton werden gekoppelte Bilanzgleichungen formuliert. Um die in Flächentragwerken überwiegend in Dickenrichtung verlaufenden Ausgleichsvorgänge abzubilden, wird daraus ein Berechnungsverfahren abgeleitet und in ein neu entwickeltes, auch eigenständig lauffähiges Programmmodul implementiert. Die resultierenden Zustandsgrößen dienen als Grundlage zur Bestimmung der thermisch und hygrisch induzierten Verzerrungen und resultierenden Beanspruchungen des Tragwerks. Unter der Annahme einer additiven Zerlegung der Gesamtverzerrungen werden diese in der Simulationstechnik auf der Materialpunktebene erfasst. Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht, neben den Zwangbeanspruchungen auch die ebenfalls auftretenden Eigenspannungen in der Modellierung zu berücksichtigen. Die Einbindung der Materialformulierung erfolgt in ein vierknotiges, isoparametrisches und schubweiches Schalenelement, welches auf einer mittelflächenorientierten, rotationsvariablenbehafteten Schalentheorie basiert. Die Modellvorstellungen werden anhand von aussagekräftigen Berechnungsbeispielen verifiziert. Durch die Anwendung des Simulationskonzeptes zur Untersuchung der thermo-hygro-mechanischen Schädigungsentwicklung einer Kühlturmschale und der thermo-mechanischen Schädigungsentwicklung eines Spannbetonturms einer Windenergieanlage wird ein möglicher Anwendungsbereich aufgezeigt. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die lastunabhängigen Einwirkungen nicht nur die Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit derartiger Tragwerke beeinträchtigen, sondern auch Auswirkungen auf die Tragfähigkeit haben können. Dabei liefern globale Schädigungsindikatoren einen zusätzlichen Eindruck über den Verlauf schädigungsbedingter Steifigkeitsdegradationen. Derartige Schädigungsanalysen können dazu genutzt werden, Stahlbetontragwerke bereits in der Planungsphase schädigungsresistenter und damit dauerhafter auszulegen. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, sie auch zur Beurteilung der Effektivität von geplanten Sanierungsmaßnahmen bereits geschädigter Tragwerke einzusetzen und deren Restlebensdauer wirklichkeitsnah zu prognostizieren.
Zur Erfassung hygrothermischer Einflüsse auf das nichtlineare Trag- und Schädigungsverhalten von Stahlbetonflächentragwerken
Wörmann, Ralf (Autor:in)
2004
254 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
Nichtlinearität , Trageverhalten , Schadenfrüherkennung , Stahlbeton , Flächentragwerk , mechanische Beanspruchung , Schadenursachenforschung , dynamische Ermüdung , Windbelastung , numerische Simulation , Wärmeausdehnung , Wasseraufnahme , Finite-Elemente-Methode , Temperaturverteilung , Schale (Flächentragwerk) , Schalentheorie , Kühlturm , thermomechanische Eigenschaft , Windkraftwerk , Gebrauchseignung , Steifigkeit , Schadenanalyse , Altanlagensanierung , Restlebensdauer
Untersuchungen zum Trag- und Schädigungsverhalten Fester Schienenfahrbahnen in Betonbauweise
| UB Braunschweig | 2005