620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Beitrag zur Berechnung von nachgiebig gelagerten Behältertragwerken unter seismischen Einwirkungen
(2001)
In der Baupraxis werden zur Erfassung der bei seismischen Einwirkungen auftretenden Interaktionseffekte zwischen Behältertragwerk, Flüssigkeit und Untergrund oftmals sogenannte Ingenieurverfahren eingesetzt. Diese sind durch die ihnen zugrundeliegenden einfachen mechanischen Modelle und die Anwendung der Strukturmethode zur Berücksichtigung der Behälter-Boden-Interaktion gekennzeichnet. Die modale Analyse der Interaktionsschwingung von Flüssigkeit und Behälterschale wird in der Arbeit durch die Integralgleichungsmethode behandelt. Diese wird sowohl auf die ideale Flüssigkeit als auch zur Untersuchung des Einflusses der Flüssigkeitskompressibilität angewendet. Es wird ein Modell zur Berücksichtigung der Flüssigkeitsviskosität entwickelt und daraus Dämpfungsfaktoren für die Schwingung der Flüssigkeitsoberfläche abgeleitet. Für die Behältergründung werden in Abhängigkeit von der Gründungsflexibilität Impedanzfunktionen bestimmt. Aus dem Gesamtsystem von Behälter, Flüssigkeit und Untergrund werden Dämpfungsmaße und Frequenzänderungen ermittelt, die für die Anwendung in einem normentauglichen Berechnungskonzept bestimmt sind.
Die in der Praxis häufig vorkommenden Rahmenecken werden zur Ermittlung ihrer Wölb- und Drehsteifigkeiten untersucht. Die Kontinui- tätsbedingungen dafür werden formuliert. Mit Finite- Schalenelementen werden Gesamthallenrahmen mit unterschiedlichen Abmessungen, Profilen, Dachneigungen, Stabilisierungen und Rahmeneck- formen modelliert. Dadurch werden die Auswirkungen und Einflüsse der Rahmeneckkonstruktion auf die Stabilität des Tragwerkes untersucht. Durch vergleichende Untersuchungen mit dem Ersatzstabverfahren nach der DIN 18800 werden für jede Rahmenecke realitätsnahe ßo- und ßz Werte vorgeschlagen.
Im rechnergestützten Bauplanungsprozess arbeiten verschiedene Fachplaner an der gemeinsamen Aufgabe, ein Bauwerk zu planen, zusammen. Verfügbare Kooperationsansätze beschäftigen sich mit versionierten und verteilten Bauwerksmodellen, die auf Basis der Objektorientierung virtuelle Bauwerkszustände beschreiben. Die in diesen zustandsorientierten Modellen unberücksichtigten Zustandsänderungen führen zu derzeitigen Problemen beim Austausch, beim Vergleich und bei der Zusammenführung von versionierten Bauwerksinformationen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines verarbeitungsorientierten Ansatzes zur ganzheitlichen Betrachtung der Bauwerksmodellierung. Neben der zustandsorientierten Beschreibung eines virtuellen Bauwerks werden zusätzlich änderungsorientierte Informationen in Form von Modellieroperationen in der Modellbildung berücksichtigt. Es wird eine Modellierungssprache definiert, um Operationen formal zu beschreiben. Modellieroperationen bilden eine Verarbeitungsschnittstelle für Objektmodelle, repräsentieren Entwurfsabsichten, reichern bestehende Bauwerksmodelle mit Änderungssemantik an und tragen zur Konsistenzsicherung in diesen Modellen bei. Neuartige Kooperationskonzepte für den Austausch, den Vergleich und das Zusammenführen von versionierten Bauwerksinformationen werden auf Grundlage des vorgeschlagenen Ansatzes entwickelt. Sowohl das Modell als auch die Sprache werden unabhängig von aktuellen Technologien formal beschrieben. Die prinzipielle Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes wird im Rahmen einer Pilotimplementierung auf Basis eines Open-Source-Systems im Bauwesen nachgewiesen.
Grundlage der Arbeit bilden eigene aktuelle Bauschadensuntersuchungen in Deutschland. Die jährlichen Mängel- und Schadensbeseitigungskosten betragen auf der Basis ausgewerteter Gutachten 4,1 % der Bauinvestitionen und liegen höher als die bisherigen Angaben der Bauschadensberichte der Bundesregierung. Eine Verbesserung der Bauqualität ist trotz Einführung von Qualitätsmanagementsystemen in den letzten Jahren nicht feststellbar. Diagnose-Werkzeuge aus der stationären Industrie zur Feststellung einer mangelnden Übereinstimmung der geforderten Qualität mit der erreichten Qualität während der Bauausführung sind nicht unmittelbar anwendbar. Aufbauend auf neuen Ansätzen zur interaktiven und interdisziplinären Verdichtung aller Prüfungen wird in dieser Arbeit ein System zur Qualitätssicherung in der Bauausführung aufgezeigt. Dieses wird als System der „Helfenden Prüfungen“ bezeichnet. Grundbausteine sind die Anwendung der „Fehler-Möglichkeits- und -Einfluss-Analyse“ unter Berücksichtigung prozessspezifischer Erfahrungen sowie Prophylaxekriterien, hergeleitet aus Fehlern, Baumängeln und Bauschäden. Das System der „Helfenden Prüfungen“ ist ein dynamisches System zur baubegleitenden Qualitätssicherung in der Bauausführung. Es ermöglicht die Verkettung der Prüfungen verschiedener am Bau Beteiligter aufbauend auf einer Eigenüberwachung durch die Ausführenden. Automatische Vergleiche der Prüfergebnisse und die Transparenz des Systems schaffen mehr Vertrauen zwischen den am Bau Beteiligten. Bei konsequenter Durchführung der abgestimmten Prüfverfahren kann nur ein aktueller Informations- und Wissensstand die Fortführung der Bauleistungen in den Teilprozessen ermöglichen. Die Verifizierung des Systems der „Helfenden Prüfungen“ erfolgte im Rahmen der Forschungsarbeit als baubetriebliches Kommunikationsmodell.
Es werden die Auswirkungen der mit Hilfe eines Blasenschleiers durchgeführten partiellen Destratifikation zur Begrenzung der Algenentwicklung durch Lichtlimitierung auf die thermischen und hydrodynamischen Bedingungen in der Bleilochtalsperre (Thüringen) vorgestellt. Ausgangspunkt bilden die theoretischen Betrachtungen zur Dynamik eines Blasenschleiers, aus denen ein Blasenschleiermodell in einer geschichteten Umgebung hervorgeht. Weiterhin werden die dimensionslosen Kennzahlen der Quell- und der Umgebungsschichtungsstärke, sowie der entdimensionalisierten Einblastiefe eingeführt, mit denen die Dynamik der voll ausgebildeten Schleierströmung beschreibbar ist. Durch Kopplung des Blasenschleiermodells mit einem Umgebungsschichtungsmodell wird die mechanische Effizienz eines Blasenschleiers auf die Destratifikation einer linearen Umgebungsschichtung für einen großen Bereich der Kennzahlen ermittelt und die Leistungsfähigkeit des in der Bleilochtalsperre installierten Schleiers theoretisch nachgewiesen. Die Auswirkungen des Betriebs des Blasenschleiers in der Bleilochtalsperre selbst werden anhand von gemessenen Temperaturprofilen diskutiert und über Stabilitätsberechnungen quantifiziert. Dabei kam es in den Sommermonaten in der Talsperre zur Ausbildung eines 3-Schichtensystems, über dessen Entstehung im Weiteren eine Ursachenanalyse durchgeführt wird. Es werden Untersuchungen zum Einschichtungsverhalten des Zulaufs, zum zeitlichen Verlauf der Temperaturentwicklung in der Talsperre, Isothermenabsenkungsberechnungen für den Bereich unterhalb des Schleiers, Wärmehaushaltsberechnungen und in der Talsperre durchgeführte Driftkörpermessungen vorgestellt, die das Auftreten des 3-Schichtensystems erklären. Angaben über die wesentlichen Auswirkungen der künstlichen Destratifikation auf die limnologischen Verhältnisse in der Talsperre runden die Ergebnisse der hydrodynamischen Untersuchungen schließlich ab.
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.
Auf dem Gebiete der neuen Bundesländer wurden bis 1990 ca. 2,18 Millionen Wohnungen in Fertigteilbauweise gebaut. In verschiedenen Gebäudetypen wurden asbesthaltige Materialien sowohl im Wohnungsinneren als auch im Außenwandbereich eingesetzt. Vor dem Rückbau bzw. Abriss oder der Sanierung der betroffenen Gebäude muss hier generell eine Asbestentsorgung durchgeführt werden. Im Falle schwach gebundener Asbestprodukte im Innenbereich ist die Erfassung von Gefährdungspotential und Sanierungsdringlichkeit rechtlich und technisch geregelt. Hier liegen bereits zuverlässige Sanierungslösungen unter besonderer Berücksichtigung des Arbeitsschutzes sowie des Schutzes angrenzender Bereiche auch für den bewohnten Zustand vor. Für den Außenwandbereich gibt es diesbezüglich ein Defizit. Von den heute ein Gefährdungspotential in der Bausubstanz darstellenden Asbestprodukten kommt dem asbesthaltigen, polymergebundenen Fugendichtstoff Morinol eine besondere Bedeutung zu. Der Fugendichtstoff Morinol wurde sowohl im Außenbereich als auch im Innenbereich der Wohngebäude verwendet. Definitionsgemäß ist nach der Gefahrstoffverordnung und den Technischen Regeln für Gefahrstoffe der in Plattenbauten eingebaute Morinol-Fugendichtstoff ein Gefahrstoff, so dass beim bautechnischen Umgang mit diesem Material vom Ausbau bis zur Entsorgung hohe Anforderungen an den Arbeits- und Gesundheitsschutz sowie den Umweltschutz zu erfüllen sind. Derzeit erfolgt der Gefahrstoffausbau durch verschiedene, in höchstem Maß kostenintensive und ergonomisch unbefriedigende sowie technisch unzureichende Verfahren. Ein besonderes Defizit besteht beim Ausbau des Fugendichtstoffes bei Fugen mit einer geringen Breite, Fugen mit konischem Fugenverlauf, Fugen mit tief in den Fugenraum reichenden Dichtstoffmassen, in Kreuzungsbereichen von Horizontal- und Vertikalfugen und in Eckbereichen. Bei diesen Fugentypen muss bisher zum Ausbau des Fugendichtstoffes der Beton beidseitig der Fugenflanke abgestemmt werden. Der Beton wird zusammen mit dem anhaftenden Fugendichtstoff als Gefahrstoff beseitig. Die Zielstellung der Arbeit besteht in der systematischen Entwicklung technischer Lösungen zum Ausbau von Fugendichtstoffen am Beispiel der asbesthaltigen Fugendichtstoffe in Plattenbauten. An die Verfahrenslösung werden die Anforderungen verbesserter Arbeits-, Gesundheits- und Umweltschutz, optimierte Technologie und höhere Wirtschaftlichkeit gestellt. Bestandteile dieser Entwicklung sind die Untersuchung der Schwerpunkte Fugenarten, Merkmale asbesthaltiger Fugendichtungen, betroffene Bausubstanz und die Analyse der rechtlichen und arbeitsschutzrechtlichen Rahmenbedingungen für den Umgang mit asbesthaltigen Fugendichtstoffen. Die Untersuchung der gegenwärtig verfügbaren Arbeitsverfahren und die Darstellung der Defizite dieser Lösungen ist eine grundlegende Vorraussetzung für weitere Entwicklungsarbeiten. Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen wird ein Konzept für die Entwicklung neuer Verfahrenslösungen aufgestellt. Thermische und mechanische Verfahren werden erstmalig systematisch untersucht. Durch die Bewertung der verschiedenen Verfahren wird eine Lösung ermittelt und abschließend hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Ergonomie, Faser- und Staubemission, Lärmemission und Vibration bewertet.
Die Abkürzung PCC bezieht sie sich hier auf Polymer modified Cement Concrete, also mit Kunststoffen modifizierte Mörtel und Betone. Hierfür hat sich diese Abkürzung auch international durchgesetzt. Sie bezeichnet Baustoffe, die neben dem mineralischen Bindemittel Zement auch Kunststoffe enthalten. Zement und Kunststoff erzielen im späteren Mörtel bzw. Beton eine gemeinschaftliche Bindemittelwirkung. Wiederholter Gegenstand von Schadensfällen ist das Versagen des Haftverbundes zu anderer Bausubstanz. Da PCC häufig als dünne Schutzschicht auf vorhandenen Beton aufgetragen werden, führt ein Versagen der Adhäsion früher oder später auch zu einem Versagen dieser Schutzfunktion. Umgekehrt kann ein Versagen des Schutzes infolge von Rissen im PCC auch im Nachhinein zum Ablösen der Beschichtung führen. Ursächlich für dieses kohäsive Versagen sind dabei i. d. R. die Auswahl falscher bzw. nicht aufeinander abgestimmter Baustoffsysteme oder schlicht Verarbeitungsfehler. Das Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, welchen Einfluss die kohäsiven und adhäsiven Eigenschaften von PCC auf deren Dauerhaftigkeit, insbesondere bei der Anwendung als Beschichtungsmaterial, haben. Dazu wurden vier maßgebliche Schwerpunkte bearbeitet. Eine zentrale Rolle für die Dauerhaftigkeit eines Beschichtungsmaterials spielt dessen Längenänderungsverhalten. Der Betrag der positiven und negativen Längenänderungen ist bestimmend für die Spannungen, die im Beschichtungsmaterial entstehen können. Sind die auftretenden Spannungen höher als die Zugfestigkeit des PCC erfolgt der Spannungsabbau durch Risse. Es kommt also zum Kohäsionsversagen im Mörtel. Wird der PCC als Beschichtungsmaterial genutzt, werden die Spannungen im Idealfall über die Verbundebene zum Beschichtungsuntergrund übertragen. Übersteigen dabei diese Spannungen die maximal aufnehmbaren Verbundspannungen, kommt es zum Adhäsionsversagen zwischen Beschichtung und Untergrund. In Modellversuchen werden die Effekte des Längenänderungsverhaltens kunststoffmodifizierter Zementsteine auf den Haftverbund zu einer Gesteinskörnung untersucht. Dadurch werden Rückschlüsse auf die Kohäsion innerhalb der PCC durch die Beschreibung des adhäsiven Verbundes zwischen Zementsteinmatrix und Gesteinskörnung gezogen. Neben der Längenänderung sind auch die Festigkeitseigenschaften der PCC bedeutsam für deren Dauerhaftigkeit. Es werden die Festigkeitseigenschaften kunststoffmodifizierter Mörtel und Betone nicht nur von der mechanischen Seite betrachtet. Der Focus liegt vielmehr auf der Beschreibung der durch die Kunststoffe beeinflussten kohäsiven Eigenschaften bei mechanischer Belastung. Es wird das Verhalten der polymeren Matrix nach einer Kurzzeitbelastung untersucht. Damit werden die Vorgänge, die letztlich zu einer Beeinflussung der Festigkeitseigenschaften führen, dargestellt. In diesem Zusammenhang wird auch der Einfluss der Temperatur auf die Festigkeit der PCC betrachtet. Die Untersuchung des Frost-Taumittel-Widerstandes mittels CDF- bzw. CIF-Verfahrens ist eine gute Möglichkeit, neben der Beurteilung der Dauerhaftigkeit auch Rückschlüsse auf die kohäsiven als auch, im mikroskopischen Maßstab betrachtet, die adhäsiven Eigenschaften der PCC zu ziehen. Damit ist gemeint, dass die Kohäsion von PCC durch deren adhäsive Eigenschaften zwischen kunststoffmodifizierter Zementsteinmatrix und Gesteinskörnern maßgeblich bestimmt wird. Einerseits kann bei starkem Abfall des relativen dynamischen E-Moduls von einer geringeren Kohäsion des PCC ausgegangen werden. Dies würde dann bei einem Mörtel eher zu Rissen führen, über die wiederum betonaggressive Medien eindringen können. Im Gegensatz dazu deutet ein konstant bleibender relativer dynamischer E-Modul auf eine hohe Kohäsion und damit, bei Anwendung des PCC als Beschichtungsmaterial, auf ein höheres adhäsives Versagensrisiko der Beschichtung hin. Andererseits stellt eine höhere Abwitterung, also sozusagen das schichtenweise kohäsive Versagen, eine Gefahr bei dünnen Beschichtungen dar. Dies könnte noch durch die Anwendung anderer Taumittel (z. B. organischer) verstärkt werden. Unter diesen Gesichtspunkten wurden Untersuchungen auf der Basis des CDF-Testes sowie zur Lösungsaufnahmefähigkeit der PCC durchgeführt. Der adhäsive Verbund von PCC zu Beton ist von vielen Faktoren abhängig. Bisher kaum betrachtet wurde die Art des Aufbringens oder der Einfluss der Probengeometrie bei Laborversuchen. Diese sowie der Einfluss einer Salzbelastung des Untergrundes bzw. der Beschichtung wurden untersucht. Ein Teil der durchgeführten Untersuchungen wurde im Rahmen des Teilprojektes B3 „Dauerhaftigkeit polymermodifizierter Mörtel und Betone“ des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereiches 524 „Werkstoffe und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bau-werken“ realisiert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung der Sicherheit von Strukturen mit sowohl geometrisch als auch physikalisch nichtlinearem Verhalten. Die Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit einer Struktur mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationsmethoden erfordert, dass die Funktion der Strukturantwort implizit berechnet wird, zum Beispiel durch nichtlineare Strukturanalysen für jede Realisation der Zufallsvariablen. Die Strukturanalysen bilden jedoch den Hauptanteil am Berechnungsaufwand der Zuverlässigkeitsanalyse, so dass die Analyse von realistischen Strukturen mit nichtlinearem Verhalten durch die begrenzten Computer-Ressourcen stark eingeschränkt ist. Die klassischen Antwortflächenverfahren approximieren die Funktion der Strukturantwort oder aber die Grenzzustandsfunktion durch Polynome niedriger Ordnung. Dadurch ist für die Auswertung des Versagens-Kriteriums nur noch von Interesse, ob eine Realisation der Basisvariablen innerhalb oder außerhalb des von der Antwortflächenfunktion gebildeten Raumes liegt - die Strukturanalyse kann dann entfallen. Bei stark nichtlinearen Grenzzustandsfunktionen versagt die polynomiale Approximation. Das directional sampling neigt bei Problemen mit vielen Zufallsvariablen zu einem systematischen Fehler. Das adaptive importance directional sampling dagegen beseitigt diesen Fehler, verschenkt jedoch Informationen über den Verlauf der Grenzzustandsfunktion, da die aufgefundenen Stützstellen aus den vorangegangenen Simulationsläufen nicht berücksichtigt werden können. Aus diesem Grund erscheint eine Kombination beider Simulationsverfahren und eine Interpolation mittels einer Antwortfläche geeignet, diese Probleme zu lösen. Dies war die Motivation für die Entwicklung eines Verfahren der adaptiven Simulation der Einheitsvektoren und anschließender Interpolation der Grenzzustandsfunktion durch eine Antwortflächenfunktion. Dieses Vorgehen stellt besondere Anforderungen an die Antwortflächenfunktion. Diese muss flexibel genug sein, um stark nichtlineare Grenzzustandsfunktionen beliebig genau annähern zu können. Außerdem sollte die Anzahl der verarbeitbaren Stützstellen nicht begrenzt sein. Auch ist zu berücksichtigen, dass die Ermittlung der Stützstellen auf der Grenzzustandsfunktion nicht regelmäßig erfolgt. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden der lokalen Interpolation der Grenzzustandsfunktion durch Normalen-Hyperebenen bzw. sekantialen Hyperebenen und der sowohl lokalen als auch globalen Interpolation durch gewichtete Radien erfüllen diese Anforderungen. ungen. dieser Arbeit entwickelten Methoden der lokalen Interpolation der Grenzzustandsfunktion durch Normalen-Hyperebenen bzw. sekantialen Hyperebenen und der sowohl lokalen als auch globalen Interpolation durch gewichtete Radien erfüllen diese Anforderungen.