620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Theory and application of optimization strategies for the design of seismically excited structures
(2009)
The study introduces into the theory and application of optimization strategies in earthquake engineering. The optimization algorithm substitutes the intuitive solution of practical problems done by the engineer in daily practice, providing automatic design tools and numerical means for further exploration of the design space for various extremum states. This requires a mathematical formulation of the design task, that is provided for typical seismic evaluations within this document. Utilizing the natural relation between design and optimization tasks, appropriate mechanical concepts are developed and discussed. The explanations start with an overview on the mechanical background for continua. Hereby the focus is placed on elasto-plastic structures. The given extremum formulations are treated with help of discretization methods in order to obtain optimization problems. These basics are utilized for derivation of programs for eigenvalue and stability analysis, that are applied in simplified linear analysis for the design of seismically excited structures. Another focus is set on the application in simplified nonlinear design, that uses limit state analyses on the basis of nonlinear problem formulations. Well known concepts as the response and pushover analysis are covered as well as alternative strategies on the basis of shakedown theory or cycle and deformation based evaluations. Furthermore, the study gives insight into the application of optimization problems in conjunction with nonlinear time history analyses. The solution of step-by-step procedures within optimization algorithms is shown and aspects of dynamic limit state analyses are discussed. For illustration of the great variety of optimization-based concepts in earthquake engineering, several specialized applications are presented, e.g. the generation of artificial ground motions and the determination of reduction coefficients for design spectrum reduction due to viscous and hysteretic damping. As well alternative strategies for the design of base isolated structures with controlled impact are presented. All presented applications are illustrated with help of various examples.
In der vorliegenden Arbeit werden die experimentellen Ergebnisse eigener Untersuchungen an unbewehrtem und bewehrtem polymermodifiziertem Beton unter mehrfach wiederholter Druck- und Zugbeanspruchung vorgestellt und mit den Ergebnissen ähnlicher Versuche an Normalbeton und hochfestem Beton verglichen. Besondere Aufmerksamkeit wird dabei dem Formänderungsverhalten, der Steifigkeitsdegradation und der Energiedissipation sowie dem Kriechverhalten und der Mitwirkung des Betons zwischen den Rissen gewidmet. Die beobachtete signifikante Steifigkeitsdegradation sowie der ausgeprägt nichtlineare Zusammenhang zwischen der viskosen Verformung und der elastischen Stauchung zeigen, dass bei der Analyse der Kriech¬aus¬wirkungen des polymermodifizierten Betons auf das Tragverhalten entsprechender Kon¬struktionen neben den Gebrauchslasten auch die während der Lastgeschichte aufgetretenen maximalen Beanspruchungssituationen sowie die damit verbundenen Strukturveränderungen zu berücksichtigen sind. Auf der Basis der Versuchsergebnisse und der visko-elastisch-plastischen Kontinuumsschädigungstheorie werden rheologische Modelle zur Beschreibung des zeit- und beanspruchungsabhängigen Tragverhaltens von Betonbauteile vorgeschlagen. Die numerische Umsetzung der vorgeschlagenen Modelle erfolgt unter Berücksichtigung des zeitabhängigen Materialverhaltens des Betons auf der Basis des HAMILTON-Prinzips unter Vernachlässigung der Trägheitskräfte. Durch eine zeitliche Diskretisierung kann die Problembeschreibung auf das Prinzip von LAGRANGE vom Minimum des Gesamtpotentials zurückgeführt und als nichtlineare Optimierungsaufgabe formuliert werden. Die Simulation des beanspruchungsabhängigen Tragverhaltens von Stahlbetonverbundquerschnitten verdeutlicht die Qualität und Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Modellbildung.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse der last- und zeitabhängigen Verformungseigenschaften und der Steifigkeits-Degradation von unbewehrtem Normalbeton und hochfestem, selbstverdichtendem Beton (SVB). Neben experimentellen Untersuchungen werden numerische Simmulationen des Beton-Kriechverhaltens unter kurzzeitiger, quasi-statischer, uniaxialer Druckbeanspruchung vorgenommen.
Zur Tragwerksanalyse bzw. zu Tragfähigkeits- und Bemessungsaufgaben dienen Betrachtungen an ausgewählten Querschnitten der Tragelemente. Besonders interessieren Normalspannungs- und Dehnungsverteilungen sowie Grenzbeanspruchungsniveaus und Grenzkapazitäten am Querschnitt. Die statische Wirksamkeit von Verbundquerschnitten basiert auf Verbundwirkung zwischen Querschnittsanteilen unterschiedlicher Materialeigenschaften (z.B. Verbundbau) oder unterschiedlicher Zeitpunkte ihrer statischen Mitwirkung (z.B. nachträgliche Querschnittsergänzungen). Hierbei kommt es häufig zu Fehlinterpretationen des prinzipiellen Tragverhaltens. In der vorliegenden Arbeit werden numerische Berechnungsmodelle zur Querschnittsanalyse vorgestellt und das Tabellenkalkulationsprogramm MS EXCEL zur Lösung der iterativen Berechnungsalgorithmen genutzt. Betrachtet werden Querschnitte üblicher Konstruktionen des Massiv-, Stahl- und Verbundbaus (Baustahl-Beton) unter ein- oder zweiachsiger Biegebeanspruchung und Normalkraft. Zur annähernden Erfassung des realen Tragverhaltens zu ausgewählten Zeitpunkten sind nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Beziehungen der Materialien, Vordeformationen von einzelnen Querschnittsanteilen, nachträgliche Ergänzungen zu neuen statisch wirksamen Verbundquerschnitten sowie Rissbildungsmodelle im Beton berücksichtigt. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene programmtechnische Umsetzung „VerbQ“ (auf Basis von MS EXCEL und MS VISUAL BASIC) wurde anhand von Beispielrechnungen vorgestellt und erläutert.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Entwicklung einer Strategie zur physikalisch nichtlinearen Analyse von Aussteifungssystemen. Der Anwendungsschwerpunkt umfasst neben dem traditionellen Aufgabenumfang zur Analyse neu zu errichtender Tragwerke gleichzeitig auch Planungsaufgaben, die mit Umbau- und Sanierungsmaßnahmen verbunden sind. Veränderungen, die sich während der Nutzungsgeschichte oder im Revitalisierungsprozess ergeben, werden in den Berechnungsmodellen berücksichtigt. In vielen Fällen ist es aus planerischer Sicht zweckmäßig, die Nichtlinearität des Materialverhaltens zur Erschließung von Tragreserven in den normativen Nachweiskonzepten mit einzubeziehen. Der damit verbundene numerische Aufwand wird durch die Verwendung separater Modelle zur Erfassung des Querschnitts- und des Systemtragverhaltens begrenzt, ohne die Komplexität der Aufgabenstellung zu reduzieren. Aus detaillierten Querschnittsuntersuchungen der Tragwände werden integrale Materialbeziehungen abgeleitet, welche die Grundlage für die nichtlineare Tragwerksanalyse darstellen. Die Modellbildung gegliederter Aussteifungswände basiert auf deren Zerlegung in ebene finite Stabsegmente, die sich durch die Diskretisierung in Längs- und in Querrichtung ergeben. Zusätzlich zu den an den Stabenden angreifenden Normalkräften, Querkräften und Biegemomenten werden an den Elementlängsrändern Schubbeanspruchungen erfasst. Die physikalische Nichtlinearität wird durch die Einbeziehung integraler Materialbeziehungen an den Segmenträndern berücksichtigt. Die numerische Umsetzung erfolgt mit Methoden der mathematischen Optimierung. Die Leistungsfähigkeit der Berechnungsstrategie wird exemplarisch anhand von Untersuchungen an Aussteifungssystemen in Großtafelbauweise nachgewiesen.
Verbundverhalten von GFK-Bewehrungsstäben und Rissentwicklung in GFK-stabbewehrten Betonbauteilen
(2004)
In der vorliegenden Arbeit werden im Rahmen von Ausziehversuchen die Verbundeigenschaften verschiedener Bewehrungsstäbe aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) unter Berücksichti-gung signifikanter Einflussgrößen auf das Verbundverhalten wie Oberflächenprofilierung der Stäbe, Stabdurchmesser, Betonfestigkeit, Verbundlänge sowie Beanspruchungsart unter einheitlichen Versuchsrandbedingungen bestimmt. Es erfolgt eine Bewertung der Einflussgrößen, der Verbundeigenschaften und des Verbundversagens der untersuchten GFK-Bewehrungsstäbe. Basierend auf der Modellbildung zum Verbund zwischen GFK-Stäben und Beton wird die Bestimmung der Verankerungslänge aufgezeigt. Im Rahmen von Versuchen an GFK-stabbewehrten Dehnkörpern und Balken wird die Auswirkung der spezifischen mechanischen Eigenschaften der GFK-Stäbe auf die Rissentwicklung gegenüber stahlbewehrten Bauteilen untersucht. Insbesondere wird betrachtet, welchen Einfluss das Bewehrungsmaterial, der Bewehrungsgrad, die Betonfestigkeit sowie die Belastungsart auf die Mitwirkung des Betons auf Zug zwischen den Rissen sowie auf die Entwicklung des Rissbildes, der Rissbreiten und der Rissabstände haben. Auf Grundlage der experimentellen Untersuchungen wird die Übertragbarkeit der für Stahlbetonbauteile üblichen Ansätze zur Bestimmung der Rissbreite auf GFK-stabbewehrte Betonbauteile bewertet.
Für querkraftbewehrte Elemente aus Porenbeton kann hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit ein gegenüber vergleichbaren Bauteilen aus Normal- oder üblichen Leichtbetonen abweichendes Trag-, Verformungs- und Bruchverhalten festgestellt werden. Bedingt wird dieses Verhalten durch die Interaktion der an der Verbundkonstruktion beteiligten Materialien. Experimentelle Untersuchungen an querkraftbewehrten Elementen aus Porenbeton zeigen, dass die Querkrafttragfähigkeit durch ein lokales Versagen der Verankerungszone der Querkraftbewehrung bedingt wird. Aufgrund der geringen Festigkeit und des spröden Materialverhaltens von Porenbeton ist es nicht möglich, die Querkraftbewehrung durch die Wirkung des kontinuierlichen Verbunds zu realisieren. Ergänzend wird Längs- und Querkraftbewehrung verschweißt. Die Querkrafttragfähigkeit von querkraftbewehrten Elementen aus Porenbeton kann durch Fachwerkmodelle unter Berücksichtigung von Energie- und Deformationsbedingungen abgeleitet werden.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung eines Bemessungskonzeptes auf der Basis nichtlinearer Schnittgrößen für statisch und dynamisch beanspruchte Stahlbetontragwer-ke. Das Konzept geht dabei von einheitlichen Kriterien zur Analyse der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit auf der Grundlage deformationsbasierter Grenzzustandsbetrach-tungen aus. Der deformationsbasierte Grenzzustand ist dadurch charakterisiert, daß ne-ben der statischen und kinematischen Zulässigkeit eines Tragwerkszustandes auch die Einhaltung von definierten Verzerrungs- bzw. Verformungsgrenzwerten gewährleistet ist. Aus Betrachtungen im Kontinuum werden diskrete Modelle zur Lösung von physikalisch und geometrisch nichtlinearen Grenzwiderstandsaufgaben mit und ohne Berücksichtigung von Lastfolgeeffekten abgeleitet. Die numerische Untersetzung basiert auf Methoden der nichtlinearen Optimierung. Auf der Grundlage dieser Berechnungsmodelle wird eine Be-messungskonzeption entwickelt.
Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Ausbruchverhaltens von unbewehrten Porenbetonplatten bei konzentrierter Lasteintragung in Randnähe. In der Praxis tritt diese Problematik bei Befestigungen oder Verankerungen auf, die eine punktuelle Beanspruchung bewirken. Hauptziel der durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen war das Erkennen von Gesetzmäßigkeiten für Versagenserscheinungen und für Bruchlasten in Abhängigkeit von variierenden Geometrie- und Materialparametern. Dabei waren Größe und Lage der Lasteinleitungsstelle sowie die Materialfestigkeit die wichtigsten Einflussfaktoren. Von besonderem Interesse war auch das spröde Verhalten des Porenbetonmaterials auf das Ausbruchverhalten. Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: die Experimente mit anschließend weiterführenden numerischen Untersuchungen, sowie Bemessungskonzepten mit Ausbruchgleichungen. Ein weiteres Kapitel behandelt die Zugfestigkeit von Porenbeton. Die Experimente wurde an für Wand- oder Deckenplatten originaldicken Versuchskörpern durchgeführt. Dabei waren die Lagerbedingungen so festgelegt, dass sich möglichst ein ungestörter Ausbruchkörper ausbilden konnte. Numerische Spannungsuntersuchungen über eine räumliche Idealisierung der Versuchskörper mit dem Finite- Element- Programmsystem ANSYS gaben Aufschlüsse über Ort und Größe von bruchverursachenden Spannungen. Des weiteren wurden über die Versuchsergebnisse hinaus Berechnungen über den Einfluss von Variationen bei der Plattengeometrie durchgeführt. Es wurden Betrachtungen über die Zugfestigkeit als einen maßgebenden Faktor für das Ausbruchverhalten geführt. Numerische Risssimulationen gaben Aufschluss über den Spannungszustand und den Ablauf der Rissentwicklung.
Ausgehend von den klassischen Variationsprinzipien der Mechanik werden kinematische und gemischte Extremalprinzipe abgeleitet, die zur Beschreibung geometrisch und physikalisch nichtlinearen Tragverhaltens geeignet sind. Ein Schwerpunkt der Arbeit besteht in der Anwendung der Prinzipe zur Analyse und Bemessung von Stahlbeton-, Spannbeton- und Verbundquerschnitten. Aus einem einheitlichen Berechnungsmodell wird eine Vielzahl praxisrelevanter Problemstellungen abgeleitet. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendung der kinematischen Extremalformulierung für die geometrisch und physikalisch nichtlineare Berechnung von Stabtragwerken.
Der Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung eines Berechnungskonzeptes, mit dem die Auswirkungen des zeitabhängigen Materialverhaltens des Betons und der Spannbewehrung auf das Tragverhalten von Stahlbeton und Spannbetonbauteilen wirklichkeitsnah abgeschätzt werden können. Dabei wird auf die Berücksichtigung des nichtlinearen Kriechens und der Rißbildung besonderer Wert gelegt. Das Konzept basiert auf der sukzessiven Ermittlung der Schnittgrößenanteile und der Deformationen zu festgelegten Zeitpunkten, wobei die Ergebnisse der vorausgehenden Zeitschritte berücksichtigt werden können. Ausgehend von der Formulierung des mechanischen Problems als Extremalaufgabe wird die Berechnung innerhalb eines Zeitschritts auf die Lösung einer quadratischen Optimierungsaufgabe zurückgeführt, wobei die Rißbildung des Betons und geometrisch nichtlineare Einflüsse berücksichtigt werden können. Die Einbeziehung des nichtlinearen Kriechens erfolgt durch Beschleunigung der linearen Kriechgeschwindigkeit mit einem, von der aktuellen Betonspannung abhängigen Kriechzahlerhöhungsfaktor. Das Berechnungsmodell wird anhand von Langzeitversuchen an hochbelasteten Betonprismen und Stahlbetonstützen verifiziert. In umfangreichen numerischen Untersuchungen wird der Einfluß des nichtlinearen Kriechens auf das Tragverhalten von vorgespannten Querschnitten und Stahlbetonstützen analysiert.