Abgeschlossene Forschungsprojekte/ Dissertationen

   

Progressiver Kollaps von Tragwerken

Progressiver Kollaps beschreibt das Missverhältnis zwischen einer lokalen Schädigung des Tragwerks und einem daraus resultierenden Versagen großer Teile oder des gesamten Tragwerks. Dabei spielt die Ursache der Schädigung, eine erhöhte lokale Belastung oder ein geringerer lokaler Widerstand, keine Rolle. Da bei der Bemessung von Bauwerken nur das einzelne Tragelement betrachtet wird, gleichzeitig aber Ereignisse geringer Auftretenswahrscheinlichkeit außer Acht gelassen werden, ergibt sich die Notwendigkeit zusätzlicher globaler Betrachtungen für den Fall einer lokalen Schädigung. Dies wird auch bestätigt durch Kollapse jüngster Zeit (Terminal Charles-de-Gaulle, WTC, Alfred P. Murrah Building, Oklahoma City u.a.), bei denen einzelne Elemente trotz scheinbar sicherer Bemessung versagten und große Teile des Tragwerks daraufhin einstürzten. Der Widerstand eines Tragwerks gegen progressiven Kollaps wird als strukturelle Robustheit definiert. Heutige Normen und Richtlinien bieten jedoch kein ganzheitliches Vorgehen, wie strukturelle Robustheit zu gewährleisten oder gar zu quantifizieren ist.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, Entwurfsregeln zur Gewährleistung von Robustheit zu entwickeln. Dazu werden verschiedene Tragwerke betrachtet und hinsichtlich ihrer Robustheit beurteilt. Dies wird zunächst mittels Finite-Elemente-Berechnungen erfolgen, was für die Praxis jedoch ungeeignet erscheint. Daher sollen zusätzlich vereinfachte Vorgehensweisen identifiziert werden.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Maren Wolff zurück

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Elasto-plastisches Tragverhalten von Stahlwasserbaukonstruktionen unter Kollisionsbeanspruchung

Ziel ist die Simulation einer Kollision zwischen einem typischen Binnenschiff und einem Schleusentor mit dem expliziten FEM-Programm LS-DYNA und deren Auswertung, um die dadurch am Tor entstehenden Schäden erfassen zu können. Nach Möglichkeit sollen daraus vereinfachte Handformeln für den praktisch tätigen Ingenieur und für Kollisionsbelastungen besser geeignete Torkonstruktionen entstehen.

Nach einer umfangreichen Literaturstudie im themenverwandten Forschungsgebiet der Schiff-Schiff-Kollisionen wurde ein Verfahren zur Erzeugung von wahren Spannungs-Dehnungs-Linien für die typischen Stahlsorten S235 und S355 entwickelt, um die nötigen Eingabewerte für eine Simulation zu erhalten. Weitere Parameter wie Binnenschiffstyp, Schiffsgeschwindigkeit, Schiffsbeladung, Schleusentortyp und Anprallort wurden erörternd festgelegt.

Darauf folgte die Kalibrierung des FEM-Programms LS-DYNA durch Nachrechnung von aus vorliegender Literatur entnommenen einfachen Handformeln und durchgeführten Versuchen mit einhergehender Parameterstudie.

Zur Zeit werden die komplexen Datensätze zur computermäßigen Erzeugung der Schiffsbug- und Schleusentorgeometrien erstellt, um zusammen mit den vorher gewonnenen Parametern die erste Simulationsrechnung auf dem Großrechner des Rechenzentrums durchführen zu können.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Olaf Drude

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Aktive mechanische Kontrolle winderregter Brückenschwingungen

Bei weit gespannten schlanken Großbrückenträgern können durch Windumströmung gefährliche Flatterschwingungen hervorgerufen werden. Diese können zum Einsturz der Brücke führen, so geschehen bei der originalen Tacoma-Narrow-Bridge, einer Hängebrücke in der Nähe von Tacoma Stadt, Washington.

Zielsetzung für die Arbeit ist es, Möglichkeiten zur aktiven Dämpfung windinduzierter Flatterschwingungen von Brücken weiterzuentwickeln. Methodische Ansätze sollen hergeleitet und rechnerisch implementiert werden. Ihre Eignung für die gestellte Regelungsaufgabe soll vergleichend untersucht werden, wobei Geschwindigkeit und Güte der Regelung besonderes Gewicht zukommen. Die beschriebenen Lösungen sind hinsichtlich ihrer Sicherheit und Robustheit zu bewerten und weiterzuentwickeln. Schließlich sollen die mit einer Implementierung im Brückenbau zusammenhängenden baupraktischen Fragen untersucht werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der numerischen Simulation und Erprobung des Regelkreises.

In einem weiteren Arbeitsschritt sollen die Möglichkeiten zur aktiven Bedämpfung der Schwingungen von Schrägseilen untersucht werden. Die Dämperelemente sind in die analytischen und numerischen Modellen zu implementieren. Ihre Effektivität für die Schwingungsreduzierung soll bewertet werden.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Rüdiger Körlin

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Video eines an unserem Institut durchgeführten Experiments, in dem die stabilisierende Wirkung einer beschleunigt rotierenden Masse auf einen angeströmten Brückenquerschnitt zu sehen ist.

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Untersuchungen zum Brückenflattern

Der Bau von „Superbrücken“, Brücken extrem großer Spannweite, ist im Zuge des steigenden Anspruches an Mobilität von stetig wachsender Bedeutung. Die hierfür eingesetzten Seilbrücken zeichnen sich insbesondere durch ihre große Schlankheit und Verformbarkeit aus. Bei der Planung dieser Großbrücken ist das Schwingungsverhalten deshalb entwurfsbestimmend. Insbesondere die selbstinduzierten Flatterschwingungen spielen wegen ihrer katastrophalen Auswirkungen eine wesentliche Rolle im Entwurfsprozeß.

Die Beurteilung der Flatteranfälligkeit einer Brücke erfolgte bisher zumeist auf der Grundlage von Experimenten. Durch die enorm gestiegene Leistungsfähigkeit der Großcomputer ist nun auch eine numerische Untersuchung der Erregungsmechanismen möglich geworden. Diese steht im Mittelpunkt dieser Arbeit. Die Ergebnisse sollen anhand von Windkanaluntersuchungen verifiziert werden.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Lydia Thiesemann

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Wirklichkeitsnahe Berechnung schlanker Stahlbetonrahmen

Der heutige Brückenbau wird in erster Linie von ökonomischen und ästhetischen Aspekten bestimmt. Im Massivbrückenbau wird aus wirtschaftlichen Gründen oft eine fugenlose monolithische Bauweise bevorzugt, so zum Beispiel im Übergangsbereich zwischen Über- und Unterbau. Eine architektonisch ansprechende Gestaltung der Brücke läßt oft schlanke Querschnitte, besonders auch bei den Pfeilern wünschenswert erscheinen.

Kern dieser Arbeit ist es, ein geeignetes mechanisches Modell und Berechnungsverfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe sich die Gebrauchs- und Bruchzustände für Brückenpfeiler in Stahlbetonbauweise berechnen lassen. Auch das hochgradig nichtlineare Baustoffverhalten des Stahlbetons soll so realistisch wie möglich mit in die Berechnung einfließen.

Die Untersuchung befaßt sich mit dem Brückentyp der langen Talbrücken auf hohen Pfeilern, wobei den „schwimmenden“ Brückenkonstruktionen eine besondere Bedeutung zukommt. Dabei handelt es sich um einen Ausführungstyp, dessen Lagerungen am Brückenanfang und -ende horizontal verschieblich sind und bei dem alle horizontalen Einwirkungen über die Brückenpfeiler in die Fundamente eingeleitet werden müssen. Weiterhin soll die Berechnung der Schnittgrößen und der Verformungen auch das Zusammenspiel zwischen den einzelnen Pfeilern sowie deren Abhängigkeit vom Überbau erfassen.

Die fugenlose Bauweise des Brückenträgers ruft zum Beispiel bei Temperatureinwirkung große Horizontalverschiebungen in den Randfeldern hervor. Sind die Brückenpfeiler monolithisch mit dem Überbau verbunden, müssen auch sie diese Verschiebungen aufnehmen können. Dies bedingt die Ausführung schlanker Pfeiler in Brückenlängsrichtung, die den Längsverschiebungen wenig Widerstand entgegensetzen.

Als eine günstige Form erweisen sich dabei Doppelpfeiler. Sie können bei schlanker Ausführung des Querschnitts einerseits der Brücke einen optisch anspruchsvollen Gesamteindruck verleihen, und andererseits sind sie auch in der Lage, eine sichere Lastabtragung während der verschiedenen Bauphasen zu gewährleisten. So treten zum Beispiel im Freivorbau große Momente im Brückenüberbau auf, die durch Ausbildung eines Kräftepaares in den Doppelpfeilern aufgenommen und direkt in die Fundamente abgeleitet werden können.

Die Einarbeitung des hochgradig nichtlinearen und zeitabhängigen Verhaltens des Baustoffes Stahlbeton kann zum Beispiel mit Hilfe des Standardverfahrens von Collins/Mitchell erfolgen. Hier lassen sich alle Eingangsgrößen wie die Material- und Querschnittsabhängigkeit sowie der Einfluß der Zeit auf den Baustoff in Form einer Momenten-Krümmungs-Beziehung in Ansatz bringen. Im nächsten Schritt sollen die Belastungen und geometrischen Imperfektionen in das System eingetragen werden. Die sich einstellenden Schnittgrößen und endgültigen Systemverformungen werden auf iterativem Weg berechnet und sollen sowohl für Kurzzeit- als auch für Langzeiteinwirkungen wie das Betonkriechen und -schwinden ermittelt und dargestellt werden können.

Ziel dieser Berechnungen ist es, die Brückenpfeiler in ihrer Schlankheit und Querschnittsausbildung zu optimieren und so zum Beispiel den üblicherweise verwendeten recht schalungs- und fertigungstechnisch aufwendigen Hohlkastenquerschnitt durch eine geeignete und einfach zu realisierende Scheibenkonstruktion zu ersetzen.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Ingmar Wallmichrath

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Nichtlineares Tragverhalten von Aluminium-Bauteilen mit temperaturbeeinflußten Querschnittsbereichen

Das Tragverhalten von Aluminium-Bauteilen soll durch Moment-Verkrümmungs-Beziehungen abgebildet werden. Ziel ist es, eine einfache Beschreibung dieser Beziehungen für symmetrische, unsymmetrische, WEZ-behaftete und Normalkraft-beanspruchte Querschnitte zu finden, die die Nichtlinearität des Ramberg-Osgood-Gesetzes berücksichtigt. Hierfür wird ein Ansatz gewählt, der auf den Völligkeiten der Spannungsverläufe basiert.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Ulrike Eberwien

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Betriebsfestigkeit von stählernen Lochstäben und Schraubenverbindungen mit feuerverzinkten Bauteilen und gestanzten Löchern

Beim Bau von Sende- und Hochspannungsmasten sowie bei Türmen in Gitterbauweise werden die stählernen Konstruktionen in der Regel durch schlanke feuerverzinkte Bauteile mit gestanzten Löchern ausgebildet. Diese Bauteile werden neben ihrem Eigengewicht vornehmlich durch wechselnde Windbeanspruchungen belastet. Aus diesem Grund ist das Schwingfestigkeitsverhalten insbesondere der Schraubenverbindungen von besonderem Interesse.

Zur Ermittlung der Schwingfestigkeit werden an der TUHH experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die als Forschungvorhaben durch den Gemeinschaftsausschuß Verzinken e.V. (GAV) und die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungvereinigungen e.V. (AiF) unterstützt werden.

Nachfolgend sind die Themen der Forschungsvorhaben aufgeführt:

"Betriebsfestigkeit von stählernen Lochstäben und Schraubenverbindungen mit feuerverzinkten Bauteilen und gestanzten Löchern" (AiF-Nr. 11097N, GAV-Nr. FD 23)

"Betriebsfestigkeit von stählernen gleitfesten Verbindungen von feuerverzinkten Bauteilen mit gestanzten Löchern und hochfesten vorgespannten Schrauben" (AiF-Nr. 12547N/1, GAV-Nr. FD 23/II)

Bearbeiter: Dr.-Ing. Holger Huhn

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Entwicklung konstruktiver Grundregeln zur Verbesserung des Schiffsanprallwiderstandes von Schleusentoren

Basierend auf der Arbeit von Dr.-Ing. Olaf Drude (Elasto-plastisches Tragverhalten von Stahlwasserbaukonstruktionen unter Kollisionsbeanspruchung) sollen bisher entwickelte Berechnungsmethoden und abgeleitete Parameter zur Simulation von Kollision von Schiffen mit Schleusentoren mittels Nachrechnung geschehener Unfälle verifiziert werden.

Dazu sind umfangreiche FE-Modelle zu erstellen und in Hinblick auf die Rechenzeit und Rechengenauigkeit zu optimieren.

Weiterhin sollen verschieden konstruktive Merkmale der Schleusentore variiert werden, um daraus „kollisionsgünstige“ Entwurfskriterien abzuleiten.

Durch die Anwendung dieser Entwurfskriterien bei der Konstruktion neuer sowie bei der Überholung vorhandener Schleusentore ließe sich der Betrieb von Schleusenanlagen und damit der Schifffahrt sowohl sicherer als auch wirtschaftlicher gestalten.

Gewonnene Erkenntnisse aus den FE-Simulationen dieser Kollisionen können dann auf andere Bauwerke im und am Wasser übertragen werden.

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Jan Koppelmann

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Eigenschaften von unter dynamischer Beanspruchung gefügten Schweißverbindungen

Meerestechnische Konstruktionen erfahren durch Seegangseinwirkung eine kontinuierliche dynamische Beanspruchung, die Ursache von Materialermüdung und Rissbildung in tragenden Bauteilen sein kann.

Bei erforderlichen Reparaturschweißungen bewirkt die zyklische Einwirkung ein periodisches Öffnen und Schließen der Rissflanken während des Schweißprozesses.

Mittels experimenteller Untersuchungen wird geklärt, inwieweit sich das "Atmen" der Rissflanken nachteilig auf die Qualität der Reparaturnaht und deren mechanischen Eigenschaften auswirkt. Es wird versucht, eine Abhängigkeit zwischen einer Beanspruchungsgröße und einem Schädigungsgrad herzustellen.

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Peter Siemer

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Traglastberechnung von Rahmen aus Stahl unter Berücksichtigung von Anschlüssen mit nichtlinearer Rotationscharakteristik

Ziel der Arbeit ist es, die bestehenden Bemessungsansätze für Anschlüsse mit nichtlinearer Rotations-charakteristik im Hinblick auf ihre Anwendung bei der Berechnung von Rahmentragwerken aus Stahl zu bewerten und weiter zu entwickeln.

Als Ausgangspunkt dienen experimentelle Untersuchungen an biegesteifen Stirnplattenverbindungen von HEM-Profilen. Anhand der Versuchsergebnisse wird ein FE-Modell für biegesteife Stirnplattenverbindungen kalibriert, so daß ergänzende Parameterstudien durchgeführt werden können. Auf der Basis der experimentellen Ergebnisse sowie der FE-Berechnungen kann die Analyse und Weiterentwicklung der vorhandenen Bemessungsverfahren für biegeweiche Anschlüsse erfolgen.

Die Anwendung der entwickelten Berechnungsmodelle für biegeweiche Anschlüsse soll abschließend bei der Traglastberechnung von Rahmentragwerken aus Stahl im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Sicherheit untersucht werden.

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Michael Tobschall

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Ein Beitrag zur Anwendung der Zuverlässigkeitstheorie im konstruktiven Glasbau

Für die Entwicklung von Bemessungskonzepten für den konstruktiven Glasbau lassen sich Methoden der Zuverlässigkeitstheorie vorteilhaft einsetzen. Zur Beschreibung der in mehrfacher Hinsicht streuenden Glasfestigkeit werden ein stochastisches Modell und ein daran ange-passtes Verfahren zur Versuchsauswertung vorgeschlagen. Ein speziell auf die Erfordernisse der Bauweise zugeschnittenes Verfahren der Zuverlässigkeitsanalyse wird entwickelt. Basierend auf einer geschachtelten Aufgabenformulierung kann damit das hochdimensionale Systemproblem unter Einbeziehung mechanischer FEM-Modelle effizient und verlässlich erfasst werden.

Bearbeiter:Dr.-Ing. Marc Voßbeck zurück

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Stabilität von Glasbauteilen in Glas-Stahl-Verbundkonstruktionen

Bei der in der Baupraxis noch nicht verbreiteten Glas-Stahl-Verbundbauweise werden den zum Einsatz gebrachten Verbundsicherheitsgläsern (Glas, PVB-Folie) neben lokal auftretenden Querkräften auch von der globalen Tragwirkung herrührende Kräfte in der Scheibenebene zugeordnet.

Diese Bauweise kann der aus architektonischen und gebäudeenergetischen Gesichtspunkten erhobenen Forderung nach Filigranität und Transparenz in hohem Maße entgegenkommen. Insbesondere zum Nachweis der Stabilität (Beulen) der Glaskomponente liegen bislang je-doch nur wenige Untersuchungen mit groben Abschätzungen vor.

Ziel des Projekts ist die Erarbeitung von Berechnungsmodellen mit wirklichkeitsnaher Berücksichtigung von Imperfektionen, Kriechverhalten, der Verbundfolie und dem Einwirkungsverlauf.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Marc Voßbeck


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Untersuchung zur Interaktion zwischen Stahlrohr und Betonkern bei Verbundstützen

Betongefüllten Hohlprofilstützen besitzen aufgrund der Interaktion zwischen Stahlrohr und Betonkern zahlreiche Vorteile gegenüber gewöhnlichen Stahl- oder Stahlbetonstützen. Der aus der Ummantelung durch das Stahlrohr resultierende dreiaxiale Spannungszustand im Beton führt zu einer Erhöhung der dort aufnehmenbahren Normalkräfte. Gleichzeitig wird ein nach innen gerichtetes Beulen des Stahlrohrs durch den Betonkern verhindert. Damit verbessert sich die Tragfähigkeit des Bauteils.

In Rahmentragwerken oder Brücken werden vertikale Lasten normalerweise über Anschlüsse von den Balken auf die Stützen übertragen. Im Falle betongefüllter Hohlprofilstützen werden die Querkräfte von den Balken zunächst in das Stahlprofil eingeleitet. Im Anschlussbereich stellt sich dabei kein einheitlicher Dehnungszustand in Beton und Stahl ein. Die in diesem Zusammenhang veröffentlichten Versuchsergebnisse liefern keine ausreichenden Informationen über das tatsächliche Verbundverhalten in betongefüllten Hohlprofilstützen.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, die Übertragung der Kräfte zwischen den Stahlhohlprofilstützen und dem Betonkern durch Schubbolzen, insbesondere aber auch durch Reibung, anhand von Stützen verschiedener Abmessungen sowohl experimentell als auch theoretisch zu untersuchen. Dabei wird auch das Langzeitverhalten erforscht. Aufbauend auf der Elastizitätstheorie soll ein Ingenieurmodell erstellt werden, dessen Gültigkeit anhand der durchgeführten Versuche und mithilfe numerischer Modelle (Finite-Elemente-Methode) zu verifizieren.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Nabil Falah zurück

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Wirklichkeitsnahe Berechnung räumlicher stabförmiger Stahlbetontragwerke

Der wirklichkeitsnahen und damit nichtlinearen Berechnung von allgemeinen Stahlbetontragwerken kommt eine wachsende Bedeutung zu. Diese Tendenz spiegelt sich sowohl in den neuen Regelwerken als auch in den Entwicklungen der Bausoftware wider.
Bei einigen Konstruktionen genügt eine linear elastische Schnittgrößenermittlung nach Theorie I. Ordnung den Anforderungen an Sicherheit und Wirtschaftlichkeit nicht. Bei Untersuchungen zum Tragverhalten im überkritischen Bereich ist eine wirklichkeitsnahe Berechnung unausweichlich.
Diese umfasst neben der stofflichen Nichtlinearität mit Rissbildung, Entfestigung und Fließen der Bewehrung geometrische Nichtlinearität mit großen Verformungen. Zusätzlich sind zeitabhängige Effekte aus Kriechen, Schwinden und folglich der Belastungsgeschichte zu berücksichtigen.

Der Schwerpunkt der aktuellen Forschungsarbeiten in diesem Bereich liegt auf der Formulierung dreidimensionaler Materialmodelle, wobei der überwiegende Anteil auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) umgesetzt wird. Bei der Untersuchung des Systemverhaltens von Stabtragwerken sind eindimensionale Elemente aufgrund der einfacheren Modellbildung und Interpretation sowie des geringeren Rechenaufwands vorzuziehen. Bei der Untersuchung räumlicher Stabtragwerke stellt die Berechnung allgemeiner Querschnitte unter kombinierter Torsionsbelastung die größte Herausforderung dar.

Bearbeiter: Dr.-Ing. Thomas Löhning zurück

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