TY - THES A1 - Simon, Antje T1 - Analyse zum Trag- und Verformungsverhalten von Straßenbrücken in Holz-Beton-Verbundbauweise T1 - Load-bearing and deformation performance of road bridges as timber-concrete composites N2 - Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Adaption der Holz-Beton-Verbundbauweise auf den Straßenbrückenbau zu leisten. Dabei stehen differenzierte Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten hybrider Holzbrückentragwerke sowie die Entwicklung geeigneter Verbundelemente im Vordergrund. Um die Einführung dieser innovativen Bauweise in der Praxis zu unterstützen, werden Bemessungs- und Konstruktionshinweise erarbeitet. Aufbauend auf eine Analyse des derzeitigen Forschungs- und Entwicklungsstandes auf dem Gebiet des Holz-Beton-Verbundbaus erfolgt die Untersuchung des Trag- und Verformungsverhaltens von Holz-Beton-Verbundbrücken anhand einer umfangreichen Parameterstudie. Dabei wird der Einfluss verschiedener Geometrie- und Steifigkeitsparameter auf die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Holz-Beton-Verbundbrücken quantifiziert. Spezielle Untersuchungen dienen der Evaluation der Ermüdungssicherheit und der Ermittlung der Steifigkeitsdegradation unter Langzeitbeanspruchung auf der Basis einer realitätsnahen Abbildung des differenten zeit- und klimaabhängigen Tragverhaltens der Verbundbaustoffe. Praxisgerechte Empfehlungen für die optimierte konstruktive Durchbildung hybrider Holzbrückentragwerke fassen die Ergebnisse der Parameterstudie zusammen. Aus den Parameteranalysen leitet sich ein Anforderungsprofil bezüglich der Steifigkeit und Tragfähigkeit geeigneter Verbundelemente für den Straßenbrückenbau ab. Das Tragverhalten von drei ausgewählten Verbundelementtypen, welche diesem Profil entsprechen, wird anhand systematischer Scherversuche unter Kurzzeit-, Langzeit- und dynamischer Belastung analysiert. Aufbauend auf diese Testreihen werden weiterführende umfangreiche Versuchsserien mit dem Verbundelement Dübelleiste zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte und zur Analyse des Gesamttragverhaltens vorgestellt. In Auswertung der umfangreichen Bauteilversuche und rechnerischer Simulationen auf der Basis Finiter-Elemente-Modelle wird ein Bemessungskonzept erarbeitet und die Eignung des Verbundelementes Dübelleiste für den Einsatz im Hybridbrückenbau nachgewiesen. N2 - The dissertations aim is to develop the construction of road bridges using timber-concrete composites. In the foreground it is necessary to investigate the load-bearing and deformation performance of hybrid timber bridges and to develop suitable joints for bridge building. Construction and design details are developed to improve the initiation of this innovative building method in practice. First the present research and development status in the fields of timber-concrete composites is analysed. On the basis of this analysis a comprehensive parametrical study is used to investigate the load-bearing and deformation performance of hybrid timber bridges. Thereby, the influence of different geometrical and stiffness parameters on the ultimate limit state and on the serviceability of these bridges is quantified. Special investigations evaluating the fatigue behaviour are presented. Also the long-time performance is analysed using a realistic description of the different time- and climatic dependent behaviour of the bonding materials. Practical references for the optimised construction of hybrid timber bridges summarise the results of the parametrical study. On the basis of the study, a requirement profile is defined for the stiffness and ultimate load of suitable connectors for building road bridges. The load-bearing performance of three different connector types fitting this profile is analysed by systematic shear tests under short-time, long-time, and dynamic loading. Continuative tests with the stud joint having been done to determine the mechanical values and to investigate the total load-bearing performance are presented. Analysing these comprehensive tests and FE-simulations of the tests a design concept is developed. So the suitability of the stud joint is verified for the usage in hybrid timber road bridges. T3 - Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau - 16 KW - Hybridbauweise KW - Brückenbau KW - Straßenbrücke KW - Holzbau KW - Verbundbauweise KW - Materialermüdung KW - Holz-Beton-Verbund KW - Parameteranalyse KW - Langzeittragverhalten KW - Verbundmittel KW - Dübelleiste KW - timber-concrete composite KW - road bridge KW - long-time-performance KW - fatigue KW - connector Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20081022-14216 N1 - Die gedruckte Ausgabe ist im Universitätsverlag der Bauhaus-Universität Weimar erschienen, seit 2014 Bauhaus-Universitätsverlag Weimar. ER - TY - THES A1 - Grosse, Marco T1 - Zur numerischen Simulation des physikalisch nichtlinearen Kurzzeittragverhaltens von Nadelholz am Beispiel von Holz-Beton-Verbundkonstruktionen T1 - On the numerical simulation of the nonlinear short-time carrying behaviour of softwood with application to timber-concrete composite structures N2 - In der Arbeit wird ein räumliches Materialmodell für den anisotropen Werkstoff Holz vorgestellt. Dessen Leistungsfähigkeit wird durch Verifikationsrechnungen und die Simulation eigener Versuche aufgezeigt. In diesen Versuchen wurde das Tragverhalten spezieller Schubverbindungselemente der Brettstapel-Beton-Verbundbauweise untersucht. Die Kombination eines Brettstapels mit einer schubfest angeschlossenen Betonplatte ist eine vorteilhafte Möglichkeit, Schnittholz mit geringem Querschnitt effektiv in biegebeanspruchten Bauteilen einzusetzen. Es werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu den Schubverbindungselementen Flachstahlschloss und Nutverbindung vorgestellt. Diese zeichnen sich durch eine über die gesamte Plattenbreite kontinuierliche Übertragung der Schubkraft per Kontaktpressung aus. Vor allem in Brettstapel-Beton-Verbunddecken werden somit ein sehr hoher Verschiebungsmodul sowie eine eminente Tragfähigkeit erreicht. Um mit numerischen Strukturanalysen die in den Versuchen beobachteten Versagensmechanismen adäquat abbilden und realistische Prognosen für das Tragverhalten von Bauteilen oder Verbindungen treffen zu können, muss das physikalisch nichtlineare Verhalten aller beteiligter Baustoffe in die Berechnungen einbezogen werden. Im Rahmen der Dissertation wurde ein auf der Plastizitätstheorie basierendes Materialmodell für Nadelholz hergeleitet und in das FE-Programm ANSYS implementiert, welches die Mikrostruktur des Holzes als verschmierendes Ersatzkontinuum erfasst. Anhand des anatomischen Aufbaus des inhomogenen, anisotropen und porigen Werkstoffs werden die holzspezifischen Versagensmechanismen und die daraus abgeleiteten konstitutiven Beziehungen erläutert. Das ausgeprägt anisotrope Tragverhalten von Holz ist vor allem durch erstaunliche Duktilität bei Stauchung, sprödes Versagen bei Zug- und Schubbeanspruchung und enorme Festigkeitsunterschiede in den Wuchsrichtungen gekennzeichnet. Die Auswirkungen der größtenteils unabhängig voneinander auftretenden, mikromechanischen Versagensmechanismen auf die Spannungs-Verformungsbeziehungen wurden durch die Formulierung adäquater Ver- resp. Entfestigungsfunktionen in Abhängigkeit der Beanspruchungsmodi erfasst. Das dem Materialmodell zu Grunde liegende mehrflächige Fließkriterium berücksichtigt die Interaktion aller sechs Komponenten des räumlichen Spannungszustandes. Die durchgeführten Verifikations- und Simulationsberechnungen belegen, dass der erarbeitete Ansatz sowohl zur Bewertung des Tragvermögens als auch zur Beurteilung von Riss- bzw. Schädigungsursachen von Holzbauteilen eingesetzt werden kann. Die numerische Simulation eröffnet neue, bisher wenig beachtete Möglichkeiten zur Untersuchung komplexer Holzstrukturen sowie Anschlussdetails und wird sich auf Grund der Aussagekraft und Flexibilität auch im Ingenieurholzbau mehr und mehr gegenüber ausschließlich experimenteller Untersuchung durchsetzen. N2 - In the dissertation a spatial model for the anisotropic, porous material wood is presented. The efficiency of this numerical approach is pointed out by verifying computations and simulations of own experiments. In these tests the load carrying behaviour of special joining techniques for laminated timber concrete composite constructions have been examined. The combination of a laminated timber element with a shear resistant joined concrete slab is a profitable alternative for effectively using lumber with small cross section in bending stressed members. The results of the experimental investigations of flat-steel-lock and notch connection are presented. These are characterised by a load transmission via contact pressure continuously over the entire slab width. Particularly in laminated timber concrete composite ceilings a very stiff load-deflection relationship as well as an eminent load-carrying capacity is reached. To simulate the structural behaviour of members and to model there failure mechanisms it is necessary to take the mechanically nonlinear behaviour in the critical and post critical range of all involved materials into account. For this reason a constitutive material model for timber based on the plasticity theory was implemented in the finite element code ANSYS. The basic multisurface yield criterion considers the interaction of all six components of the spatial stress state. The proposal is furthermore based on the classic continuum mechanics. Therefore, a crack is not described discretely, but by its effect on the stress deformation behaviour. The numerical model reproduces the wood-specific anisotropic, load dependent strengths as well as predominantly independent proceeding of strain hardening and, respectively, softening. The conducted verifications and simulations prove, that the designed approach can be applied to the evaluation of the load-carrying behaviour as well as crack and damage causes of timber components. The numerical simulation opens new potentialities for investigation of complex wooden structures as well as connection details. Compared with expensive experimental studies this procedure will gain more significance due to its expressiveness and flexibility even in timber engineering. T3 - Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau - 7 KW - Holzbau KW - Verbundbauweise KW - Beton KW - Nichtlineare Finite-Elemente-Methode KW - Plastizitätstheorie KW - Numerische Mathematik KW - Simulation KW - Nichtlineare Kon KW - Holz-Beton-Verbund KW - HBV KW - Versagensmechanismen KW - Brettstapel KW - timber concrete composite KW - laminated timber Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20060215-7725 ER - TY - THES A1 - Lehmann, Martin T1 - Investigations of the Loadbearing Behaviour of Timber Bending Beams Reinforced Using Prestressed CFRP-Lamellas N2 - The refurbishment of old buildings often goes hand in hand with an increase in both the dead and live loads. The latter, combined with the higher safety factors, often make the reinforcement of the old structures necessary. Most reinforcement methods involve transforming a structural timber member into a composite beam. Composite sections have a long tradition in timber construction. In the early days, multiple timber beams were connected with interlocking tooth and wooden shear connecters, which resulted in an elastic connection. Although historical timber structures are frequently upgraded, no method has yet been established and fully accepted by all stakeholders such as owners, builders, architects, engineers and cultural heritage organisations. Carbon fibre-reinforced polymers (CFRP) have already shown their efficiency in structural reinforcement especially in concrete structures. Moreover, previous studies have shown that CFRP has the potential to meet the expectations of all parties involved. In order to reach the service-limit state, a high amount of carbon fibres has to be used, or considering the cost of reinforcement, prestress has to be applied. However, prestressing often goes hand-in-hand with delaminating issues. The camber method presented here offers an efficient solution for prestressing timber bending members and overcoming the known obstacles. In the method proposed, the timber beam is cambered using an adjustable prop at midspan during the bonding of the CRFP-lamella to the lower side of the bending member. After curing the adhesive, the prop is removed and the prestressed composite beam is ready to be used. The prestress introduced in the system is not constant, but has a triangular shape and peaks at midspan, where it is used the most. The prestress force, which declines towards the end of the beam, leads to a constant shear stress over the whole length of the reinforcement,avoiding a concentrated anchorage zone. An analytical calculation model has been developed to calculate and design prestressed timber- bending members using the camber method. Numerical modelling, using a multi-surface plasticity model for timber, confirmed the results from the analytical model, and clearly reduced delaminating issues, comparing very favourably to traditional prestressing methods. The experimental parametric study, including the determination of the short-term loadbearing capacity of structural-sized beams, showed agreement with the analytical and numerical calculation. The prestressed reinforcement showed a benefit of nearly 50% towards the ultimate-limit state and up to 70% towards the service-limit state. Calculations revealed that the use of high modulus CFRP allows even higher benefits, depending on the configurations and requirements. The long-term design of the prestressed composite beam was investigated by extending the analytical model. The creep of the timber leads to a load transfer from the timber towards the CFRP, and therefore increases the benefit towards the ultimatelimit design. Applying high modulus CFRP-lamellas allows for a complete utilisation of the design capacity of timber and carbon fibre-reinforced polymer. The thorough investigation conducted demonstrated that the camber method is an efficient technique for prestressing and reinforcing timber-bending members. Furthermore, the calculation model presented allows for a safe design and estimation of long-term behaviour. N2 - Die Sanierung von bestehenden Gebäuden bringt häufig eine Erhöhung der Nutz- und Auflasten mit sich. Dies und die von den neuen Normen geforderten höheren Sicherheitsfaktoren erfordern oft eine Verstärkung der bestehenden Tragstruktur. Die meisten Massnahmen verwandeln den Holzbalken in einen Verbundquerschnitt. Zusammengesetzte Querschnitte haben in der Holzkonstruktion eine lange Tradition. Zu Beginn wurden die Konstruktionen durch Verzahnen und / oder durch Hartholzdübel respektive Keile miteinander verbunden. Kohlefaser verstärke Kunststoffe (CFK) haben bereits den Nachweis der Effizienz zur Verstärkung bestehender Strukturen erbracht, dies insbesondere im Betonbau. Verstärkungen im Holzbau werden bereits durchgeführt, jedoch hat sich bis heute noch keine Methode etabliert welche für alle involvierten Parteien wie Bauherr, Bauunternehmung, Architekt Ingenieur und Denkmalpflege zufriedenstellend ist. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass CFK das Potenzial hat diese Ansprüche zu erfüllen. Um mit dem Hochleistungsmaterial CFK auch die Durchbiegung reduzieren zu können ist entweder eine Vorspannung notwendig oder es muss andererseits sehr viel CFK eingesetzt werden, was die Methode unnötig verteuert. Leider kommt eine Vorspannung meist Hand in Hand mit Delaminierungsproblemen. Die Ursache dafür sind konzentrierte Schubspannungen an den Lamellenenden. Hier setzt die in der Dissertation präsentierte Methode zur Vorspannung von Biegebalken an und löst die bekannten Probleme. Die Vorspannung wird durch Überhöhung des zu sanierenden Balkens während der Verklebung mit der Kohlefaserlamelle erzeugt. Dies erfolgt mit Hilfe einer Schalungsstütze in der Mitte des Balkens. Durch das Entfernen der Schalungsstütze wird der verstärkte Balken vorgespannt und kann belastet werden. Das durch die Überhöhung induzierte Biegemoment ist dreieckförmig. Daher ist die Schubspannung in der Klebefuge gleichmässig über die Länge verteilt und auf eine konzentrierte Verankerung der Vorspannkraft wird verzichtet. Die Vorspannkraft ist in der Mitte, wo sie am meisten benötigt wird, am grössten und gegen aussen abnehmend. Ein analytisches Berechnungsmodel zur Berechnung und Dimensionierung von Balken, welche mit der präsentierten Methode vorgespannt sind, wurde entwickelt. Nummerische Modellierungen mit einem nichtlinearen Materialmodell für Holz bestätigten die Resultate der analytischen Berechnungen und das klar reduzierte Risiko gegenüber Delaminierung. Die Laborversuche beinhalteten eine Parameterstudie sowie die Ermittlung der Bruchlast von vorgespannten Holzbalken mit baupraktischen Abmessungen. Die Tragfähigkeit konnte um ca. 50 % gesteigert werden. Der Beitrag zur vebrauchstauglichkeit war, abhängig vom Gefährdungsbild, bis zu 70 %. Berechnungen zeigten, dass bei der Verwendung von hochmoduligen CFK-Lamellen diese Werte je nach Anforderung und Gefährdungsbild noch höher ausfallen. Das Langzeitverhalten des Verbundquerschnittes wurde analytisch untersucht. Durch das Kriechen des Holzes wird es über die Zeit leicht entlastet und der CFK übernimmt mehr Last. Bei hochmoduligen CFK-Lamellen kann die Kapazität von Holz und CFK vollständig ausgenutzt werden. Die ausführlichen Untersuchungen bewiesen die Effizienz der präsentierten Verstärkungsmethode. Mit dem analytischen Berechnungsmodell können verstärkte Balken sicher dimensioniert und das Langzeitverhalten abgeschätzt werden. KW - Holzbau KW - Sanierung KW - Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff KW - Verbund KW - Vorspannung KW - timber structure KW - reinforcement KW - CFRP KW - prestress KW - composite Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20150916-24566 ER - TY - THES A1 - Schober, Kay-Uwe T1 - Untersuchungen zum Tragverhalten hybrider Verbundkonstruktionen aus Polymerbeton, faserverstärkten Kunststoffen und Holz T1 - Structural behavior of timber-composite structures with epoxy-polymer concrete and FRP reinforcement N2 - Die Entwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise hat gezeigt, dass hybride Holzverbundbauweisen eine sehr effiziente Lösung zur Steigerung der Tragfähigkeit und Steifigkeit von biegebeanspruchten Holzbauteilen darstellen. Bei solchen Holzverbundbauteilen stellt insbesondere die effiziente Gestaltung der Schubkraftübertragung in der Verbundfuge zwischen den Baustoffschichten einen gewissen Schwachpunkt dar. Weiterhin limitieren insbesondere auch die streuenden Festigkeiten sowie wuchs- bzw. fertigungsbedingte Eigenschaften des in der Zugzone angeordneten Holzes die Leistungsfähigkeit solcher hybrider Verbundbauteile merklich. Eine innovative Lösung für diese Problemkreise konnte in der Herstellung von hybriden Verbundkonstruktionen aus Reaktionsharzbeton, faserverstärkten Kunststoffen und der bestehenden Holzkonstruktion gefunden werden. Dabei kommt in der Biegedruckzone ein Hochleistungs-Polymerbeton zum Einsatz. Die Zugzone wird mittels ein- bzw. aufgeklebter Faserverbundwerkstoffe verstärkt und strukturell bedingte Grenzen überwunden. Faserverbundwerkstoffe sind im Vergleich mit homogenen Werkstoffen durch eine strukturelle Anisotropie gekennzeichnet. Zur rechnerischen Beschreibung des Trag- und Bruchverhaltens benötigt man eine schichtenweise Spannungsanalyse, Bruchkriterien für die einzelnen Schichten und Degradationsmodelle zum Erfassen der Auswirkung von Teilbrüchen, die noch nicht zum Bruch oder Ablösen des Laminats führen. Dabei bieten bruchtypbezogene Versagenskriterien wesentliche Vorteile gegenüber Pauschal¬kriterien, da die vorherrschenden Bruchmodi mithilfe ein¬zelner Bruch¬bedingungen unabhängig voneinander beschrieben werden können. Zur Analyse des Verbundverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen und Holz wurde deshalb das vereinfachte Puck-Knaust-Kriterium für die Versagensanalyse in ANSYS(R) implementiert. Für die numerische Untersuchung der Verbundträger wurde ein Strukturmodell für Kunstharzbetone im Verbund mit Holz entwickelt, mit dem sich Steifigkeit und Kriechverhalten beliebiger Mischungsverhältnisse abschätzen lassen. Beim Vergleich der Ergebnisse zeigt sich, dass die relativen Kriechverformungen bei den verstärkten Balkenserien um das 1,8- bis 2,5fache größer sind als bei der unverstärkten Serie, was in der Materialspezifik des eingesetzten Polymerbetons begründet liegt. Die Kriech¬verformung steigt dabei mit zunehmendem Verhältnis von Polymerbetonstärke zum Holzgrundquerschnitt und kann mit der angegebenen Gleichung für beliebige Querschnittsverhältnisse ermittelt werden. Im Vergleich der Durchbiegung der Serien bei gleicher Belastung wird deutlich, dass die Steifigkeitsvorteile der verstärkten Balken durch die größere Kriechneigung ganz oder teilweise aufgebraucht werden. Besonders betrifft das die Serien, bei denen die obere Holzschicht mit PC substituiert wurde. Dort wird aus einem anfänglichen Vorteil sogar ein Nachteil. In der numerischen Simulation von hybriden Verbundträgern aus faser¬verstärkten Kunststoffen, Kunstharzbeton und Holz bestätigte sich der eindeutige Vorteil einer zusätzlich aufgebrachten Polymerbetonschicht. Der Beitrag der FVK-Verstärkung am Gesamtsystem fällt im Gegensatz zur PC-Deckschicht jedoch wesentlich geringer aus, da deren Potential erst bei größeren Belastungen voll aktiviert wird. In Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Anwendertauglichkeit insgesamt stellt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Kunstharzbetonen eine wirkliche und praxistaugliche Alternative gegenüber herkömmlichen Baustoffen zur Tragwerksverstärkung dar. N2 - The development of timber-concrete composite structures has shown that hybrid composite systems are a very efficient solution to increase the load-carrying capacity and overall performance of timber structures. The weakness of these systems is clearly marked by the stiffness of the bond line, the natural limitations of the timber and defects in wood. An innovative solution of these problems has been found in a new-type composite beam for structural rehabilitation and upgrading, combining polymer concrete in the compression zone, fiber reinforced plastics in the tension zone and timber in between. Here, the epoxy PC can be combined with timber floors for upgrading without removing the suspended ceiling and the use of FRP as a strengthening material can be applied without necessitating the removal of the overhanging part of the structure. Therefore, this technique is very promising in many cases of reinforce¬ment of timber floors and historical structural wooden parts. The used materials show different mechanical and physical behavior due to the huge difference of stiffness and mechanical properties. All composite partners have been revised according the material formulation, structural performance of the composites, fracture and delamination behavior. Appropriate mechanical models for the numerical simulation on the basis of a finite element approach have been developed, whereas the comparison between numerical simulation and testing show a close agreement. The results of the experiments have highlighted the limitations of the composite structure as well as the advantages of the various combinations and present numerous interesting aspects. The properties of the glue lines can be described as a rigid continuous joint. This includes the good adhesive penetration into the wood surface and the high cohesive strength of the glue line in terms of further design and calculations. The test results show an increase of the load-carrying capacity up to 185% for short-term loading, depending of the ratio between polymer concrete and timber. For long-term performance the creep influence has been calculated with a rheological model to 1.8 - 2.5-times of the deflections compared to the unreinforced beams, depending also on the configuration. Here, the stiffness advantage of the short-term performance will be reduced, but leads in optimistic results for the use of this composite beam in practice. The numerical simulation results of the hybrid composite beam of polymer concrete, fiber reinforced plastics and timber have highlighted the advantage of additional stiffness in form of epoxy concrete on top. The contribution of the FRP to the overall performance is significant lower for LSD, but increases for higher loads. Regarding economical and practical aspects, the presented composite system describe a good alternative to conventional solutions for structural upgrading in reconstruction. T3 - Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau - 17 KW - Kunststoffbeton KW - Holz KW - Delamination KW - faserverstärkte Kunststoffe KW - Tragwerksverstärkung KW - Bruchkriterien KW - Verbundkonstruktionen KW - timber-composite structures KW - fiber-reinforced plastics KW - polymer concrete KW - delamination Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20081210-14536 N1 - Die gedruckte Ausgabe ist im Universitätsverlag der Bauhaus-Universität Weimar erschienen, seit 2014 Bauhaus-Universitätsverlag Weimar. ER -