Die Forschung an Carbonbeton konzentrierte sich bisher überwiegend auf die Untersuchung des Tragverhaltens unter Zugbeanspruchung und die Entwicklung entsprechender Bemessungsmodelle für grundlegende Belastungsarten. Zur vollständigen und detaillierten Klärung des Tragverhaltens von Carbonbetonkonstruktionen ist es jedoch notwendig, das Verhalten unter Druckbeanspruchung zu kennen, da erste Erkenntnisse reduzierte Druckfestigkeiten vermuten lassen. In der Dissertation werden erste systematische Untersuchungen zum Tragverhalten von Carbonbeton unter einaxialer Druckbeanspruchung durchgeführt. Ein optimierter Versuchsaufbau erlaubte es, eine Vielzahl von Einflussparametern, wie z. B. die Textilgeometrie, Garnstärke, Tränkung oder die Ausrichtung der Gelege, zu untersuchen. Die Auswertung des umfangreichen Versuchsprogrammes erfolgte hauptsächlich an Hand der aufgenommenen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen in Längs- und Querrichtung und den Bruchbildern. Ergänzend zu den Versuchen wurden nummerische Untersuchungen hinsichtlich der Spannungsverteilungen im Probekörper durchgeführt. Als Ergebnis der Arbeit konnte das Tragverhalten von Carbonbeton unter einaxialer Druckbeanspruchung ergründet werden. Grundlegend wurde ein anisotropes Verhalten von Carbonbeton unter Druck festgestellt. Die beobachteten Druckfestigkeiten waren dabei stark von der Ausrichtung der Gelege zur Druckbeanspruchung und vom vorhandenen Bewehrungsgrad abhängig. Basierend auf diesen Feststellungen werden zwei verschiedene Bemessungsmodelle zur Beschreibung der Druckfestigkeitsreduktion vorgeschlagen.:1 Einleitung 1.1 Problemstellung 1.2 Zielstellung 1.3 Aufbau 2 Stand des Wissens 2.1 Durchführung einaxialer Druckversuche 2.1.1 Allgemein 2.1.2 Probekörpergröße 2.1.3 Probekörperform 2.1.4 Toleranzen bei Druckversuchen 2.1.5 Lasteinleitung 2.2 Textilbeton 2.2.1 Allgemein 2.2.2 Betonmatrix 2.2.3 Textile Bewehrung 2.2.4 Herstellung 2.2.5 Tragverhalten von Textilbeton unter Zugbeanspruchung 2.2.6 Tragverhalten unter Querzugbeanspruchung 2.2.7 Tragverhalten von Textilbeton unter Druckbeanspruchung 2.2.8 Verbundverhalten von Textilbeton 2.3 Tragverhalten von Beton unter Druck - Heterogenität 2.3.1 Allgemein 2.3.2 Normalbeton 2.3.3 Leichtbeton 2.3.4 Faserbeton 2.3.5 Beton mit Einlagen 2.3.6 Gerissener Stahlbeton - zweiaxiale Belastung 2.4 Vergleichsmodell - Anisotropes Gestein unter Druckbeanspruchung 2.4.1 Schulter-Typ Gesteinsmodelle 2.4.2 U-Typ Gesteinsmodelle 2.5 Zusammenfassung 3 Experimentelle Methodik 3.1 Materialien 3.1.1 Betone 3.1.2 Textilien 3.2 Probekörper 3.2.1 Probekörpergeometrie 3.2.2 Herstellung 3.2.3 Qualitätskontrolle 3.3 Versuchsstand 3.3.1 Vorbetrachtungen 3.3.2 Prüfapparatur 3.3.3 Messtechnik 3.3.4 Versuchsdurchführung 3.4 Versuchsprogramm 3.5 Auswertung 4 Versuchsergebnisse und Tragverhalten unter einaxialer Druckbelastung 4.1 Referenzserie 4.2 Unbewehrte laminierte Versuche 4.2.1 Tragverhalten in Längsrichtung 4.2.2 Tragverhalten in Querrichtung 4.2.3 Bruchbilder 4.2.4 Charakteristische Punkte 4.2.5 Elastizitätsmodul 4.3 Bewehrte laminierte Versuche 4.3.1 Tragverhalten in Längsrichtung 4.3.2 Tragverhalten in Querrichtung 4.3.3 Versagenstypen 4.3.4 Charakteristische Punkte 4.3.5 Elastizitätsmodul 4.4 Bewehrte gegossene Versuche 4.4.1 Tragverhalten in Längsrichtung 4.4.2 Tragverhalten in Querrichtung 4.4.3 Versagenstypen 4.4.4 Charakteristische Punkte 4.4.5 Elastizitätsmodul 4.5 Zusammenfassung zum Tragverhalten 5 Numerische Untersuchungen 5.1 Modell 5.1.1 Materialmodell - Beton 5.1.2 Materialmodell - EP 5.1.3 Modellbildung 5.2 Untersuchungsergebnisse 5.2.1 Referenzserie 5.2.2 Bewehrte Serien - Öffnungen 5.2.3 Bewehrte Serien - gefüllte Öffnungen 5.3 Erkenntnisse zum Tragverhalten 6 Einflussparameter auf die Druckfestigkeit von Carbonbeton 6.1 Bezugssystem der Auswertung 6.2 Herstellung 6.2.1 Ein2uss des Handlaminierverfahrens 6.2.2 Ein2uss des Gießverfahrens 6.3 Lagenabstand 6.3.1 Bewehrte laminierte Serien 6.3.2 Bewehrte gegossene Serien 6.4 Maschenweite 6.4.1 Bewehrte laminierte Serien 6.4.2 Bewehrte gegossene Serien 6.5 Garnstärke 6.6 Effektiver Flächenanteil kA,eff 6.7 Anordnung 6.7.1 Versetzte Anordnung der Textilebenen 6.7.2 Verdrehte Anordnung in der Textilebene 6.8 Tränkung 6.9 Festigkeit 6.10 Zusammenfassung der Hauptein2ussparameter 7 Berechnungsmodell und Bemessungsvorschlag 7.1 Allgemein 7.2 Berechnungsmodell für Festigkeiten 7.2.1 Allgemein 7.2.2 Herleitung 7.2.3 Kritik 7.3 Vorschlag für Bemessungsmodell 7.3.1 Allgemein 7.3.2 Herleitung 7.3.3 Kritik 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Zusammenfassung 8.2 Ausblick Literaturverzeichnis A1 Verwendete Textilien A2 Erläuterung zur Auswertung der Einzelversuche A3 Zusammenstellung der untersuchten Serien A4 Ergebnisse der numerischen Berechnungen A5 Untersuchte Gesteinsmodellen

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Beanspruchungen von Staurollenketten. Zunächst wurde in den Grundlagen der Aufbau von unterschiedlichen Staurollenkettenarten dargestellt, die Eigenschaften miteinander verglichen und kategorisiert. Aufbauend auf dem anschließend geschaffenen Verständnis der wirkenden Reibpaarungen bzw. -arten wurden FEM-Analysen durchgeführt, um dadurch auftretende Spannungen zu detektieren und das thermische Verhalten der unterschiedlichen Werkstoffpaarungen zu ermitteln. Innerhalb der praktischen Versuche der Arbeit kam es zur Ermittlung der Bruch- und Dauerfestigkeiten nach ISO15654 [DIN04]. Zur Untersuchung der Eigenschaften der Ketten unter praxisnahen Randbedingungen wurde ein Versuchsstand konzipiert, welcher die Ermittlung von Kennwerten zwei unterschiedlicher Kettengrößen unter härtesten Bedingungen ermöglicht. Durch diesen Versuchsstand wurden die Staukraft, die Kettenzugkraft durch das Drehmoment am Antrieb, die Kettengeschwindigkeit, die Kettenlängung und das Temperaturverhalten dauerhaft überwacht. Im letzten Kapitel der Arbeit wurde eine Überwachungsstation für unterschiedliche Baugrößen von Staurollenketten entwickelt und die Funktionsweise durch Versuche nachgewiesen. / This dissertation is dealing with the investigation of the load behaviour of accumulation roller chains. Initially, the structures of different types of accumulation roller chains are described, properties are compared and categorised. Based on the created understanding of acting tribological pairing and friction mechanisms, FEM analysis have been performed to evaluate occurring stresses and determine the thermal behaviour of the various material combinations. Within the testing procedures, breaking strength and fatigue strength have been investigated in accordance with DIN ISO 15654 [cf. DIN04]. A test bench has been developed for practically relevant testing of the chains, where determination of characteristic values can be done under hard testing conditions for two different chain types. The test bench ensures measurement and survey of accumulation forces, tensile chain forces (by torque moment at drive), chain speed, chain elongation and chain temperature during whole testing time. The last chapter of the dissertation deals with the development of a 'control and monitoring unit' for accumulation roller chains with various dimensions including proof of function by trials.

Ziel der vorliegenden Dissertation war die Erweiterung der Kenntnisse über das nichtlinear-elastische Spannungs-Verformungsverhalten von Tragschichten ohne Bindemittel (ToB). Ein analytisches Bemessungsverfahren ist aufgrund der schwierigen Modellierbarkeit des Verformungsverhalten der einzelnen Straßenbaustoffe bisher nicht existent. Die Dissertation soll einen Beitrag zur Entwicklung eines solchen Bemessungsverfahrens leisten. Eine Literaturrecherche zum Verformungsverhalten von ToB bildet die Grundlage für die Festlegung der Vorgehensweise. Basis der weiteren Untersuchungen sind Triaxialversuche, die an der Universität Nottingham an verschiedenen Gesteinskörnungen durchgeführt wurden. Mit Hilfe der Shakedown-Theorie konnte belegt werden, dass sich ToB in unterschiedlichen Beanspruchungsbereichen nach verschiedenen Gesetzmäßigkeiten verhalten und dass Modelle zur Beschreibung des Verformungsverhaltens von ToB bereichsweise verschieden formuliert werden müssen. Somit ist es möglich, Gültigkeitsgrenzen für elastische Stoffmodelle zu ermitteln sowie Beanspruchungsgrenzen für ToB festzulegen. Mit ausgewählten Stoffmodellen erfolgten Beanspruchungsberechnungen nach der Finite-Elemente Methode (FEM). Die beste Annäherung zwischen Messwerten und Rechenergebnissen ergibt sich bei Anwendung des DRESDNER Modells. Berechnungen für Befestigungen nach den RStO 01 haben gezeigt, dass die Beanspruchungen auf den ToB bei Anwendung des DRESDNER Modells stark von denen bei Anwendung linearer Elastizität abweichen können. Durch unterschiedliche Überbauungsdicken der ToB besitzen diese einen verschieden hohen Anteil am Tragverhalten der Befestigung. Abschließend wird eine Methode zur Ermittlung von Sicherheitsniveaus vorgestellt. Bei Kenntnis der entsprechenden Schichtparameter lassen sich die Beanspruchungen jeder beliebigen Bauweise mit denen von Bauweisen nach RStO vergleichen. Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass das Sicherheitsniveau einer bestimmten Bauweise nach RStO genauso groß ist, wie eine Befestigung mit einer dünneren Asphalttragschicht, dafür jedoch einer steiferen ToB. / The aim of this thesis was the extension of the knowledge about the resilient stress-deformation behaviour of unbound granular materials (UGM). Due to difficulties in modelling the behaviour of the single materials an analytical design method does not exist at present. Therefore this thesis makes a contribution for developing such a design method. A study of international publications about the current knowledge of the stress-deformation behaviour of UGM and repeated load triaxial tests, which have been performed at Nottingham University, were the base for all further investigations. With the shakedown concept it could be shown that materials behave in a different manner depending on the applied stress level and that material laws for describing the resilient deformation behaviour of UGM have to be formulated separately for different stress ranges. Within this thesis a method is introduced which helps to find boarders for the applicability of different material laws and limiting stress lines where below the lines stable behaviour and admissible deformations for the material are expected. Applying selected material laws finite element calculations have been performed. Comparing calculation results with measurement results it can be shown that the Dresden model offers the best approach. Calculations for pavement constructions applying the Dresden model have resulted that the vertical stresses differ very much in comparison with elastic behaviour for the UGM. It can be concluded that the thickness of the covering bounded layers have an effect to the contribution of the unbound granular layers at the complete deformation behaviour of the pavement construction. Finishing a method is introduced to determine the safety levels of pavement constructions. It seems to be possible to compare the stress-strain levels of any pavement construction with those from the german standard RStO 01. Existing functions could be modified to determine safety coefficients, i. e. ratios between admissible and existing numbers of load cycles. It can be concluded that there are the same safety levels for different pavement constructions ? a thinner asphalt layer can be compensated with a stiffer UGM.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung des erforderlichen Deckwerkssteindurchmessers für eine Böschung an einer deutschen Binnenwasserstraße, welche unter der Belastung des Bugstrahlrudereinsatzes eines böschungsnah fahrenden Schiffes steht. Hierbei wird ausschließlich der Betrachtungsfall einer losen Steinschüttung (bestehend aus den Wasserbausteinen der geläufigen Größen- bzw. Gewichtsklassen) geschildert. Für die Bestimmung der Belastung des beschriebenen Bugstrahlrudereinsatzes wird auf die dreidimensionale hydronumerische Modellierung (3D-HN-Modellierung) zurückgegriffen. Der wesentliche Fokus innerhalb der 3D-HN-Modellierung liegt auf der Ausarbeitung der vorherrschenden turbulenten Strukturen, welche sowohl dem turbulenten Grundcharakter des Propulsionsstrahls als auch der Strahlumlenkung durch die bestehende Querströmung zugeordnet werden. Diesbezüglich präsentiert die Arbeit geeignete Modellannahmen (z. B. für die Berücksichtigung der Schiffsgeschwindigkeit), Randbedingungen (z. B. für den Propeller des Bugstrahlruders) sowie grundlegende Bedürfnisse an die Diskretisierung des Modellgebietes (z. B. aufgrund der Grenzschicht-Theorie von ebenen Wänden). Als Grundlage für die beschriebene Untersuchungsabsicht wird in einem ersten Schritt ein Überblick zur bestehenden Literatur bzw. zu den bestehenden und angewandten Ansätzen der Deckwerksbemessung infolge der Belastung eines Propulsionsstrahls bereitgestellt. Weiterhin müssen Erfahrungen zur Wirkungsweise einer Querströmung auf die Strahlausbreitung gesammelt und eingebunden werden. Aufgrund der böschungsnahen Fahrt des Schiffes steht dem umgelenkten Propulsionsstrahl ein zusätzlich beengter Ausbreitungs-raum zur Verfügung, welcher ebenfalls in die Betrachtungen einfließt. Auf Grundlage der beschriebenen Rahmenbedingungen wird die Wahl eines geeigneten Modellierungsansatzes innerhalb der 3D-HN-Modellierung vorgestellt. Damit die vorhandenen turbulenten Strukturen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise an der Böschung erfasst werden können, bindet die vor-liegende Arbeit eine von Söhngen (2014) aufgestellte Auswertemethodik der bemessungsrelevanten, böschungsnahen Belastungsgrößen ein. Hierbei wird verstärkt auf die Rolle des Belastungsbetrags, der Belastungsorientierung sowie der Belastungsdauer eingegangen. Entsprechend der geschilderten komplexen Strömungssituation müssen geeignete Versuchsparameter definiert werden, welche in der Lage sind, potenzielle Gesetzmäßigkeiten der Strahlausbreitung und der daraus resultierenden Böschungsbelastung aufzuzeigen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit stehen die Einflüsse der Schiffsgeschwindigkeit, der Bugstrahlruderleistung sowie des Böschungsabstandes im Vordergrund, wohingegen weitere Einflussgrößen (wie z. B. die Böschungsneigung) unverändert bleiben. Im Anschluss an die Generierung der zeitlichen Belastungsverläufe an der Böschung beschreibt die vorliegende Arbeit ein Vorgehen zur Entkopplung der 3D-HN-Modellierung von der Mobilisierung eines Deckwerkssteins. Hierfür dienten Modellsteine aus physikalischen Modellversuchen der Bundesanstalt für Wasserbau als Datengrundlage für die Durchführung einer Computertomographie eines kompletten Modelldeckwerkes. Die daraus gewonnenen Einzelsteingeometrien werden hinsichtlich ihrer Ergebnisqualität interpretiert und abschließend mit den ermittelten Belastungsverläufen der 3D-HN-Modellierung innerhalb einer Festkörperbewegung vereinigt.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einführung und Motivation 1.1 Einleitung 1.2 Abgrenzung und Zielstellung dieser Arbeit 1.3 Methodisches Vorgehen 1.4 Gliederung der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Konstruktionsarten von Bugstrahlruderanlagen 2.2 Propellerstrahltheorien 2.3 Vereinfachte Strahltheorie 2.4 Strahlausbreitung 2.4.1 Freie Strahlturbulenz 2.4.2 Propellerstrahl des Bugstrahlruders 2.4.3 Flüssigkeitsstrahlen in einer Querströmung 2.5 Erosionspotenzial des Propellerstrahls 2.5.1 Bewegungsbeginn von Gesteinspartikeln 2.5.2 Einfluss turbulenter Schwankungen 2.5.3 Deckwerksbemessung 2.6 Zusammenfassung 3 Numerische Modellierung turbulenter Fließprozesse 3.1 Grundlagen der 3D-HN-Modellierung 3.1.1 Erhaltungsgleichungen 3.1.2 Diskretisierung 3.1.3 Modellierungsstrategien 3.2 Aufbau und Wirkung der Wandgrenzschicht 3.3 Detached Eddy Simulation 3.4 Modellierung der Strömung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 3.4.1 Ansatz einer ebenen Scheibe 3.4.2 Reale Propellergeometrie 3.5 Erfassung der böschungsnahen Strömungsverhältnisse 3.5.1 Abbildung der Böschung in der 3D-HN-Modellierung 3.5.2 Modellgebiet und Parametervariationen 3.5.3 Methodik zur Erfassung der Böschungsbelastung 3.5.4 Übertragung der Berechnungsergebnisse auf ein reales Schüttsteindeckwerk 3.6 Zusammenfassung 4 Deckwerksbelastung des Bugstrahlruders eines fahrenden Schiffes 4.1 Modellgebiet und Berechnungsdaten 4.2 Anströmung zum Bugstrahlruder 4.3 Strahlausbreitung 4.3.1 Strahlausbreitung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.3.2 Strahlausbreitung außerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.4 Böschungsbelastung 4.4.1 Belastungsschwerpunkt 4.4.2 Strahlangriffswinkel und modifizierter Strahlangriffsbeiwert 4.4.3 Deckwerkssteinbemessung 4.5 Zusammenfassung 5 Festkörperbewegung 5.1 Datengrundlage 5.2 Computertomographie 5.3 Aufbereitung der Einzelsteingeometrien 5.4 Ergebniskontrolle 5.5 Übergang zur Festkörperbewegung 6 Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang / The present thesis addresses the reckoning of the required embankment stone diameter at German federal inland waterways, in order to guarantee a sustainable embankment stability against the bowthruster jet of closely passing by vessels. In doing so, the exclusive case being examined is armourstones in bulk (common classes of coarse particles and mass). From a systematic point of view the three-dimensional hydrodynamic modeling approach is used to determine the incoming strains of the bowthruster jet. Within this approach one of the main emphases is to highlight the prevailing turbulent structures, which can be assigned to the fundamental turbulent character of the jet as well as towards the bending of the jet entering a crossflow. In this regard the thesis presents suitable model assumptions (e.g. the consideration of the vessel movement), boundary conditions (e.g. the turning propeller) and model area requirements (e.g. due to the boundary layer theory at walls). As a basis for the described research intention an overview of the existing literature on bowthruster jets as well as the currently used design approach for armourstones in bulk is given. Furthermore, knowledge of the jet bending mechanism due to a crossflow has to be provided and included. Additionally, the role of the limited space between the vessel and the embankment has to be pointed out, as it forces the jet propagation to modify greatly. In consequence of the mentioned framework conditions, a suitable modeling approach which is able to comprehend the broad manifestations of turbulence is chosen. In order to achieve knowledge about the strain mechanism of the bended bowthruster jet on the embankment, the present thesis includes an evaluation algorithm given by Söhngen (2014). Within the evaluation algorithm the importance of the strain magnitude, the strain orientation as well as the strain duration is emphasized. In accordance with the outlined complex flow situation appropriate research parameters have to be defined, which enable the detection of potential regularities within the bended jet propagation as well as within the resulting strains on the embankment. Therefore, the present thesis primarily deals with the speed of the vessel, the installed capacity of the bowthruster and the embankment distance of the vessel, whereas additional influence quantities (e.g. the slope angle of the embankment) remain constant. Following the generating process of the embankment strains, an approach which detaches the three-dimensional hydrodynamic modeling of the strains from the mobilization of an individual armourstone is introduced. The required model stones originated from experimental modeling approaches of the Federal Waterways Engineering and Research Institute and were processed in order to conduct a computer tomography of a complete embankment model. Subsequent to the computer tomography the isolated stone geometries were processed, leading towards a reunification with the embankment strains within a rigid body simulation approach.:Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einführung und Motivation 1.1 Einleitung 1.2 Abgrenzung und Zielstellung dieser Arbeit 1.3 Methodisches Vorgehen 1.4 Gliederung der Arbeit 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Konstruktionsarten von Bugstrahlruderanlagen 2.2 Propellerstrahltheorien 2.3 Vereinfachte Strahltheorie 2.4 Strahlausbreitung 2.4.1 Freie Strahlturbulenz 2.4.2 Propellerstrahl des Bugstrahlruders 2.4.3 Flüssigkeitsstrahlen in einer Querströmung 2.5 Erosionspotenzial des Propellerstrahls 2.5.1 Bewegungsbeginn von Gesteinspartikeln 2.5.2 Einfluss turbulenter Schwankungen 2.5.3 Deckwerksbemessung 2.6 Zusammenfassung 3 Numerische Modellierung turbulenter Fließprozesse 3.1 Grundlagen der 3D-HN-Modellierung 3.1.1 Erhaltungsgleichungen 3.1.2 Diskretisierung 3.1.3 Modellierungsstrategien 3.2 Aufbau und Wirkung der Wandgrenzschicht 3.3 Detached Eddy Simulation 3.4 Modellierung der Strömung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 3.4.1 Ansatz einer ebenen Scheibe 3.4.2 Reale Propellergeometrie 3.5 Erfassung der böschungsnahen Strömungsverhältnisse 3.5.1 Abbildung der Böschung in der 3D-HN-Modellierung 3.5.2 Modellgebiet und Parametervariationen 3.5.3 Methodik zur Erfassung der Böschungsbelastung 3.5.4 Übertragung der Berechnungsergebnisse auf ein reales Schüttsteindeckwerk 3.6 Zusammenfassung 4 Deckwerksbelastung des Bugstrahlruders eines fahrenden Schiffes 4.1 Modellgebiet und Berechnungsdaten 4.2 Anströmung zum Bugstrahlruder 4.3 Strahlausbreitung 4.3.1 Strahlausbreitung innerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.3.2 Strahlausbreitung außerhalb der Bugstrahlruderanlage 4.4 Böschungsbelastung 4.4.1 Belastungsschwerpunkt 4.4.2 Strahlangriffswinkel und modifizierter Strahlangriffsbeiwert 4.4.3 Deckwerkssteinbemessung 4.5 Zusammenfassung 5 Festkörperbewegung 5.1 Datengrundlage 5.2 Computertomographie 5.3 Aufbereitung der Einzelsteingeometrien 5.4 Ergebniskontrolle 5.5 Übergang zur Festkörperbewegung 6 Fazit und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang