Thesis (Ph. D.)--Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, 2006. / Kurtis, Kimberly E., Committee Co-Chair ; Kahn, Lawrence F., Committee Co-Chair ; Lai, James S., Committee Member ; Gokhale, Arun M., Committee Member ; Castrodale, Reid W., Committee Member. Vita.

Das Kleben ist noch eine relativ neue Art der Verbindung von Betonbauteilen. Bei der iterativen Optimierung der Fugengestalt wird eine Folge von unterschiedlichen Fugenverläufen analysiert. Um eine Neuvernetzung für jede einzelne Fugengestalt zu vermeiden und gleichzeitig die Verzerrungen und Spannungen an der Grenzfläche zwischen HPC-Platte und Klebefuge effizient und genau zu berechnen, wird in dieser Arbeit eine Variante der erweiterten Finite-Elemente-Methode (XFEM) als Strukturanalyseverfahren vorgeschlagen. Es wird gezeigt, dass die Methode sehr gut zur Strukturanalyse bei der Optimierung der Fugengestalt, die implizit über eine Level-Set-Funktion beschrieben wird, geeignet ist. Die Ergebnisse der Gestaltoptimierung werden diskutiert.

Das Schwerpunktprogramm 1542 − Leicht Bauen mit Beton − wird seit nunmehr drei Jahren von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Abriss, wie es zur Einrichtung des SPP 1542 kam, und einen Überblick über Struktur, Koordinierung, Schwerpunktaktivitäten sowie Öffentlichkeitsarbeit in der ersten Förderphase.

Im Wesentlichen beschreibt diese Fragestellung die zentrale Zielsetzung des Projektes. Heutzutage werden Stützen, die häufigste Form von stabförmigen Druckbauteilen in Gebäuden, zumeist mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt und mit einem konstanten Verlauf über die Stützenlänge ausgeführt. Aber wie sieht die möglichst optimale Geometrie eines schlanken Druckbauteils aus? Im Rahmen des Projektes wurde dieser Fragestellung nach einer günstigen Adaption der Querschnittsgeometrie von Stützen in Quer- und in Längsrichtung nachgegangen. In der Regel unterscheidet man bei Stützen zwischen den möglichst ideal zentrisch gedrückten und denen, die exzentrisch gedrückt bzw. mit einem Moment belastet werden. In dieser 1. Phase des Projekts wurden zunächst die ideal zentrisch belasteten betrachtet.

Im Rahmen des SPP 1542 Leicht Bauen mit Beton wurden am Fachgebiet Massivbau der TU Braunschweig ultraleichte, dünnwandige Betonhohlbauteile untersucht, die den Bambus als bionisches Vorbild hatten. Für die sehr geringen Wandstärken von nur maximal 3,0 cm wurde ein selbstverdichtender, hochfester Feinkornbeton verwendet, mit dem eine hohe Betonqualität zielsicher erreicht wurde. Ferner wurden drei innovative Bewehrungskonzepte eingesetzt. Bauteilversuche unter exzentrischer Normalkraftbeanspruchung wurden hinsichtlich der Traglasten, des Verformungsverhaltens und der Versagensmechanismen ausgewertet. Anschließend wurden die Versuchsergebnisse mit theoretischen und numerischen Berechnungsmodellen abgeglichen. Aufbauend auf den Ergebnissen konnten Empfehlungen für eine Bemessung erarbeitet werden.

Im Teilprojekt Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke werden an der Tragwirkung orientierte, formoptimierte Druckstäbe und Vorgespannte Zugstäbe aus innovativen Materialien entwickelt. Durch Untersuchungen an diesen Komponenten sollen Grundlagen für die zukünftige Realisierung von schlanken stabförmigen Tragstrukturen aus Beton in modularer Bauweise geschaffen werden. Im vorliegenden Beitrag wird zunächst ein kurzer Überblick über das gesamte Teilprojekt gegeben. Anschließend werden die bisher durchgeführten Untersuchungen zu den Druck- und Zugstäben und die wesentlichen Ergebnisse vorgestellt. Außerdem werden weitere laufende oder geplante theoretische und experimentelle Untersuchungen erläutert.

Dünnwandige Schalenträger aus Hochleistungsbetonen, die zu Sandwichträgern ergänzt werden, weisen einen günstigen Lastabtrag auf und übernehmen gleichzeitig bauphysikalische Aufgaben. Zur Reduzierung von Verformungen und Erhöhung der Traglasten werden die dünnwandigen Schalenträger mit nicht korrodierendem carbonfaserverstärktem Kunststoff im sofortigen Verbund vorgespannt. Das Verbinden der Schalenträger durch Ausschäumen mit einem Kernmaterial führt zu multifunktionalen Sandwichelementen. Im nachfolgenden Beitrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Untersuchungen zur schrittweisen Entwicklung von innovativen andwichkonstruktionen vorgestellt.

Derzeit existieren weltweit unterschiedliche Formen von solarthermischen Kraftwerken, wobei Parabolrinnenkraftwerke bisher am wirtschaftlichsten sind. Deren Kollektorelemente werden i. d. R. als räumliche Stahlfachwerke mit punktförmig gestützten Spiegeln hergestellt. Eine Alternative dazu wird im Rahmen des SPP 1542 im Teilprojekt Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke erforscht. In diesem Projekt wurde ein Großdemonstrator realisiert, welcher die Machbarkeit solch innovativer Betonfertigteilschalen zeigt. Im vorliegenden Beitrag wird der Herstellungsprozess von der Idee über den Entwurf hin zur Realisierung des Großdemonstrators beschrieben. Die statische und dynamische Auslegung des Demonstrators oblag dem Projektpartner Prof. Mark (RUB).

Im vorliegenden Beitrag werden drei bionische Strukturen vorgestellt, die für den Einsatz in Stahlbetonplatten mit biaxialen Lastabtrag entwickelt wurden: Bewehrungsführung nach dem Funktionsprinzip des Spinnennetzes, bionische Querschnittsgestaltung an der Plattenunterseite sowie eine Optimierung der Form und Anordnung von Hohlkörpern. Durch diese innovativen Tragstrukturen wird der Kraftfluss beeinflusst und es stellt sich ein verbessertes Tragverhalten ein. Zur Formfindung und Entwicklung der Strukturen wurden evolutionäre Optimierungsprozesse kombiniert mit (nichtlinearen) Finite-Elemente-Berechnungen eingesetzt. Zum Abschluss der Forschungsphase werden die entwickelten Plattensysteme experimentell untersucht.

Die Gradierung von Betonbauteilen durch eine in bis zu drei Raumrichtungen kontinuierliche Manipulation der Materialeigenschaften, wie beispielsweise Porosität, Festigkeit oder Steifigkeit, ermöglicht eine Anpassung des Bauteilinneren an das vorherrschende statische oder bauphysikalische Anforderungsprofil. Dies kann zur Massenminimierung und zur Erzielung multifunktionaler Eigenschaften eingesetzt werden. Die zur Herstellung funktional gradierter Betonbauteile besonders geeigneten Verfahren Schichten und Spritzen ermöglichen die Entwicklung des gesamten Eigenschaftsspektrums zwischen zwei Referenzmischungen mit konträren Festigkeits- und Porositätseigenschaften. Numerische Entwurfsmethoden liefern ein Gradientenlayout als digitalen Bauplan für diese Bauteile.