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Analyse des Querkrafttragverhaltens bewehrter Bauteile aus Porenbeton mit den Methoden der mathematischen Optimierung

Shear Strength Analysis of Reinforced Aerated Concrete Members with Mathematical Programming Methods

  • Im Rahmen der Arbeit wird das Querkrafttragverhalten bewehrter Bauteile aus Porenbeton untersucht. Die vorherrschende Beschreibung des inneren Kräftezustandes basiert auf der Modellvorstellung eines Fachwerks oder Sprengwerks mit Stahlzugstreben und Betondruckstreben. Ziel ist die Entwicklung eines alternativen Verfahrens zur Ermittlung des inneren Kräftezustandes. Ausgehend vom Prinzip desIm Rahmen der Arbeit wird das Querkrafttragverhalten bewehrter Bauteile aus Porenbeton untersucht. Die vorherrschende Beschreibung des inneren Kräftezustandes basiert auf der Modellvorstellung eines Fachwerks oder Sprengwerks mit Stahlzugstreben und Betondruckstreben. Ziel ist die Entwicklung eines alternativen Verfahrens zur Ermittlung des inneren Kräftezustandes. Ausgehend vom Prinzip des Minimums des elastischen Gesamtpotentials wird eine Extremalaufgabe für das mechanische Problem formuliert. Die numerische Umsetzung basiert auf der Überführung der Extremalaufgabe in eine nichtlineare Optimierungsaufgabe. Diese lässt sich mit Standardsoftware lösen. Der Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass das grundlegende Verfahren unabhängig vom verwendeten Materialmodell ist. Nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Beziehungen oder die Berücksichtigung der Rissbildung erfordern keine Anpassung des Berechnungsalgorithmus. Bewehrte Porenbetonbauteile besitzen im Hinblick auf das Trag- und Verformungsverhalten einige Besonderheiten. Berechnungsansätze für Stahlbetonelemente lassen sich nicht ohne entsprechende Modifikationen übertragen lassen. Die Bewehrung wird aus glatten Stäben hergestellt, so dass nach der Herstellung nur ein Haftverbund wirksam ist. Dieser kann über die Lebensdauer teilweise oder vollständig versagen. Die Kraftübertragung zwischen den Verbundelementen muss durch entsprechende Kopplungselemente (z.B. Querstäbe, Bügel, Endwinkel) sichergestellt werden. Der Bewehrungskorb ist im Porenbeton gebettet. Aufgrund der relativ niedrigen Festigkeit bzw. Steifigkeit des Porenbetons und des teilweise unwirksamen Verbundes treten Relativverschiebungen zwischen beiden Verbundmaterialien auf. Hier sind die Ursachen dafür zu finden, dass die Beanspruchung der Querkraftbewehrung viel geringer ist als bei vergleichbaren Stahlbetonbalken. Der Querkraftbewehrungsgrad erlaubt keine Rückschlüsse auf den Querkraftwiderstand. Das zentrale Anliegen der Arbeit ist die Implementierung nichtlinearer Materialansätze, der Rissbildung des Porenbetons sowie der porenbetonspezifischen Besonderheiten verschieblicher Verbund, diskrete Verankerung der Bewehrung und Relativverschiebungen zwischen Porenbeton und Bewehrung) in das Berechnungsmodell. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Berechnungsmodells wird anhand von Beispielen demonstriert. Die Kräfte in der Bewehrung sowie das Tragwerksverhalten werden realitätsnah bestimmt.show moreshow less
  • In this thesis the behaviour of reinforced autoclaved aerated concrete (AAC) members is examined when they are subjected to shear forces. The main models used for analyzing shear forces are based on framework or truss frame models with concrete struts and steel tension ties. The primary objective is the development of an alternative model for evaluation of inner forces in AAC members. TheIn this thesis the behaviour of reinforced autoclaved aerated concrete (AAC) members is examined when they are subjected to shear forces. The main models used for analyzing shear forces are based on framework or truss frame models with concrete struts and steel tension ties. The primary objective is the development of an alternative model for evaluation of inner forces in AAC members. The mechanical problem is based on the Principle of Minimum Potential Energy relating to the stable equilibrium of conservative systems. Numerical solution will be achieved by direct energy minimization using nonlinear optimization techniques provided by standard software tools. The main advantage of this approach is the independence of material law from the base algorithm. Therefore nonlinear effects like cracks in concrete or yielding of reinforcement bars can be implemented without changing the fundamental model. Regarding to the load bearing and deflection behaviour reinforced autoclaved aerated concrete members have some specifics which will prevent the usage of calculation models for reinforced concrete. Steel rebar elements are not profiled and are covered by a corrosion protection. There is no sufficient bond between the reinforcement and the concrete. Forces have to be carried by discrete elements (e.g. crossbar, stirrup). The reinforcement cage is bedded in the concrete. When the beam or plate is loaded there will be small displacements between steel and concrete. These displacements have a strong influence on the forces in the rebar elements and have to be considered in a calculation model. This is the main reason why the ratio of shear reinforcement isn’t a measure for the load bearing capacity in shear. The alternative model developed in this thesis will implement the nonlinear material behaviour of steel and concrete, the cracking of concrete and the specific characteristic of AAC like non existing bond, discrete anchorage of reinforcement and displacements between reinforcement and concrete. The effectiveness of the model is shown by means of some test results by Wehr (AAC-Beams) and Daschner (AAC-plates). The model gives realistic results for the internal forces and the displacements of the AAC members as well as the local displacements of the reinforcement within the concrete.show moreshow less

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Metadaten
Document Type:Doctoral Thesis
Author: Tobias Riesel
DOI (Cite-Link):https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.1835Cite-Link
URN (Cite-Link):https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:wim2-20130128-18351Cite-Link
Series (Serial Number):Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau (22)
Publisher:Bauhaus-Universität Weimar Universitätsverlag
Place of publication:Weimar
Referee:Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx, Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Mark
Advisor:Prof. Dr.-Ing. habil. Erich RaueGND
Language:German
Date of Publication (online):2013/01/28
Date of first Publication:2013/01/28
Date of final exam:2012/09/19
Release Date:2013/01/28
Publishing Institution:Bauhaus-Universität Weimar
Granting Institution:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen
Institutes:Fakultät Bauingenieurwesen / Institut für Konstruktiven Ingenieurbau
Pagenumber:178
Tag:Energiemethoden
Autoclaved Aerated Conrete; Mathematical Programming; Shear Strength; Strain Energy
GND Keyword:Querkraft; Porenbeton; Schubbewehrung; Schubtragfähigkeit; Optimierung
Dewey Decimal Classification:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
BKL-Classification:56 Bauwesen / 56.10 Ingenieurhochbau: Allgemeines
56 Bauwesen / 56.12 Betonbau
56 Bauwesen / 56.15 Massivbau, Mauerwerksbau
Licence (German):License Logo Creative Commons 4.0 - Namensnennung-Nicht kommerziell (CC BY-NC 4.0)