Numerische Modellierung von Mauerwerk
Forschungsthema:
Entwicklung eines elastoplastischen Berechnungsmodells zur dreidimensionalen numerischen Berechnung von Mauerwerkstrukturen.
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Roger Schlegel
Forschungsförderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Zusammenfassung
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines elastoplastischen Berechnungsmodells für die dreidimensionale numerische Berechnung von Mauerwerkstrukturen. Von besonderer Bedeutung sind dabei die anisotrope Formulierung des Verformungs- und Festigkeitsverhaltens, die Berücksichtigung des Riss- und Nachrissverhaltens und die konsistente numerische Umsetzung. Die Formulierung der Festigkeit mit Hilfe einer zusammengesetzten Fließbedingung ermöglicht es, mauerwerksspezifische Versagensmechanismen zu erfassen. Durch geeignete Parameterwahl soll die Anwendbarkeit des Berechnungsmodells für unterschiedliche Mauerwerksarten erreicht werden. Verschiedene Modellierungsvarianten von Mauerwerk als verschmiertes Ersatzkontinuum oder Diskontinuum werden miteinander verglichen.
Veröffentlichungen
- Schlegel, R.; Rautenstrauch, K.
Konsistente numerische Beschreibung des Trag- und Verformungsverhaltens von historischem Mauerwerk
Das Mauerwerk (2001) Heft 6, S. 202-209 - Schlegel, R.; Rautenstrauch, K.
Berechnung von Mauerwerk als Diskontinuum oder Kontinuum - Entwicklungen in ANSYS und LSDYNA
Conference Proceedings 19. CAD-FEM USER'S MEETING, Internationale FEM-Technologietage 17.-19. Oktober 2001, Potsdam, Vol. 1, 1.5.6 - Schlegel, R.; Rautenstrauch, K.
Realistische Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeits-untersuchungen historischer Mauerwerkskonstruktionen außerhalb des Anwendungsbereiches der DIN 1053-1. 20
Mühlhäuser Reko-Bau-Kolloquium TECTONICA '01, 26. April 2001 - Schlegel, R.; Rautenstrauch, K.
Numerische Modellierung von Mauerwerk - Entwicklung eines elastoplastischen Berechnungsmodells zur dreidimensionalen numerischen Berechnung von Mauerwerkstrukturen
Kurzbericht. Berlin: Ernst & Sohn. In: Mauerwerk-Kalender (2001) S. 734-735 - Schlegel, R.; Fratzscher, M.; Rautenstrauch, K.
Eine neue Materialroutine zur nichtlinearen Berechnung von ein- und mehrschaligem Natursteinmauerwerk mit ANSYS
Tagungsband 18. CAD-FEM USER’S MEETING, Internationale FEM-Technologietage 20.-22. September 2000, Friedrichshafen - Schlegel, R.; Rautenstrauch, K.
Numerische Simulation von Mauerwerk als Kontinuum.
15. IKM – Internationales Kolloquium über Anwendungen der Informatik und Mathematik in Architektur und Bauwesen, 22.-24. Juni 2000, Weimar - Schlegel, R.; Rautenstrauch, K.
Ein elastoplastisches Berechnungsmodell zur räumlichen Untersuchung von Mauerwerkstrukturen.
Bautechnik 77 (2000) Heft 6, S. 426-436 - Rautenstrauch, K.; Schlegel, R.:
Untersuchung der Tragfähigkeit von Mauerwerk mit Hilfe numerischer Berechnungsverfahren.
Kurzbericht. Berlin: Ernst & Sohn. In: Mauerwerk-Kalender (2000) S.918. - Schlegel, R.; Rautenstrauch, K.:
Untersuchung der Tragfähigkeit von Mauerwerk mit Hilfe der FEM.
Tagungsband 17. CAD-FEM USER’S MEETING, FEM-Technologietage 6.-8. Oktober 1999, Sonthofen (Allgäu) - Zrost, H.; Schlegel, R.; Hebestreit, D.; Vogt, R.; Stuhr, H.:
Zur Sanierung von Gewichtsstaumauern mit wasserseitigen Dichtwandkonstruktionen.
Bautechnik 76 (1999) Heft 7, S. 539-547 - Schlegel, R.:
Talsperrenmodellierung mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente.
DVWK, Bauhaus-Universität Weimar, Weiterbildendes Studium Bauingenieurwesen Wasser und Umwelt Kurs WW42 Talsperren und Dichtungselemente, 26.03.1999, Weimar, Tagungsband - Zrost, H.; Schlegel, R.; Vogt, R.; Hebestreit, D.:
Innovative Lösungen bei der Sanierung von Talsperren.
Vortrag am 9. Dezember 1998, Erfurt, Veranstalter: Thüringer Talsperrenverwaltung, Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen - Schlegel, R.; Vogt, R.; Zrost, H.:
Sanierung einer Schwergewichtsmauer aus Bruchsteinmauerwerk.
Seminarunterlagen zum Seminar: Numerische Methoden in der Geotechnik, 9.-10. Juni 1998, CAD-FEM GmbH, Grafing b. München
Druckfestigkeit von Holzstäben
Forschungsthema:
Zuverlässigkeit von Druckstäben aus Holz unter Berücksichtigung des zeit- und feuchteabhängigen Materialverhaltens
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Peter Becker
Dipl.-Ing. Ralf Hartnack
Forschungsförderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Zusammenfassung
Es ist bekannt, dass der Werkstoff Holz ein zeit- und feuchteabhängiges Materialverhalten aufweist. Dieser Umstand wird bei Nachweisverfahren für Druckstäbe nach DIN und Eurocode in ungenügendem Maße berücksichtigt. Der Einfluss auf Verformungsverhalten und Langzeit-Stabilität kann bei der Bemessung von Ingenieurholzbauwerken durchaus eine Rolle spielen. Die negativen Auswirkungen müssen in der derzeitigen Situation dann über zusätzliche Sicherheiten in den Bemessungsverfahren abgedeckt werden.
Um eine genauere Aussage zu erhalten, ist eine computergestützte Langzeit-Simulationsstudie zur Abschätzung der Zuverlässigkeit von Druckstäben aus Holz vorgesehen. In dieser Simulation sollen Stützen unterschiedlicher Schlankheitsgrade in verschiedenen Nutzungsklassen über einen längeren Zeitraum wirklichkeitsnahen Gebrauchslasten ausgesetzt werden. Nach der festgelegten Zeitspanne wird die Last dann bis zum Versagen des Bauteils hochgefahren, um das noch vorhandene Sicherheitsniveau abzuschätzen.
Voraussetzung zur Langzeitsimulation von Holzbauteilen ist eine möglichst realitätsnahe Modellierung des feuchte- und zeitabhängigen Materialverhaltens. Diese beinhaltet zunächst eine Modellierung der Holzfeuchteverteilung im Querschnitt in Abhängigkeit der das Holzbauteil umgebenden Klimaabfolge. Bei der weiteren Modellierung müssen unter anderem das zeitabhängige Materialverhalten, die natürliche Verteilung der Holzeigenschaften und deren Einfluss auf das Steifigkeits- und Festigkeitsverhalten, unterschieden nach Druck- und Zugbereich, das Plastizierungsvermögen des Holzes unter Druckbeanspruchung, Dauerfestigkeitsverhalten und Größeneffekte berücksichtigt werden. Der Einfluss von Holzfeuchte und Holzfeuchteänderungen soll dabei jeweils mit einbezogen werden.
Veröffentlichungen
- Hartnack, R., Schober, K.-U., Rautenstrauch, K.:
The reliability of timber columns based on stochastical prinziples
CIB-W18 meeting 36, paper 36-2-1, Colorado, 2003 - Rautenstrauch, K., Hartnack, R., Becker, P.:
The reliability of timber columns -Computer simulations regarding long-time effects- ESWM
Stockholm, 2003 - Hartnack, R., Schober, K.-U., Rautenstrauch, K.:
Computer simulations on the reliability of timber columns regarding hygrothermal effects
CIB-W18 meeting 35, paper 35-2-1, Kyoto, 2002 - Rautenstrauch, K., Hartnack, R.:
Zuverlässigkeit von Druckstäben aus Holz unter Berücksichtigung des zeit- und feuchteabhängigen Materialverhaltens
DFG-Abschlussbericht, Weimar, 2002 - Hartnack, R.:
Computer Simulations on the reliability of timber columns
4th PhD-Symposium, München, 2002 - Becker, P., Rautenstrauch, K.:
Deformation and stability of columns of viscoelastic material wood
CIB-W18-Proceedings, Paper 31-2-1, Savonlinna, Finland, 1998. - Rautenstrauch, K., Becker, P.:
Zur Berücksichtigung des Kriechens bei Druckstäben aus Holz
Bautechnik 75/11 (1998), 910-921. - Becker, P., Rautenstrauch, K.:
Time-dependent material behaviour applied to timber columns under combined loading. Part I: Creep deformation
Holz als Roh- und Werkstoff 59/5 (2001), 380 - 386. - Becker, P., Rautenstrauch, K.:
Time-dependent material behaviour applied to timber columns under combined loading. Part II: Creep buckling
Holz als Roh- und Werkstoff 59/6 (2001), 491 - 495. - Becker, P., Rautenstrauch, K.:
Reliability of timber columns considering long-term material behaviour
Proceedings of the World Conference on Timber Engineering, Whistler, Canada, 2000.
Brettstapel-Beton-Verbund
Forschungsthema:
Tragverhalten von Brettstapel-Beton-Verbunddeckenplatten mit neuartigen Verbindungsmitteln
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Marco Grosse
Dipl.-Ing. Steffen Lehmann
Forschungsförderer:
Bau Gut GmbH Hildburghausen
Thüringer Ministeriums für Wirtschaft und Infrastruktur
Zusammenfassung
In Brettstapel-Beton-Verbunddecken wird das Brettstapelelement in der Zugzone der Verbundkonstruktion angeordnet. Der vorwiegend auf Druck beanspruchte Beton muss schubfest angeschlossen werden. Infolge der hochkant stehenden Brettlamellen können die vorwiegend für die Sanierung von Holzbalkendecken entwickelten stiftförmigen Verbindungsmittel nicht eingesetzt werden. Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens wurde die Wirkungsweise neuartiger, flexibel einsetzbarer Verbindungstechniken zur Aufnahme der Schubkräfte in der Verbundfuge zwischen Aufbeton und Brettstapelelement experimentell bestimmt. Dazu wurden umfangreiche Kurzzeit-Scher- und Biegeversuche durchgeführt. Aufgrund der Versuchsergebnisse konnte ein vereinfachtes, praxisgerechtes Bemessungskonzept für diese Brettstapel-Beton-Verbundelemente auf der Grundlage eines ebenen Stabwerkmodells abgeleitet werden.
Forschungsbericht
Veröffentlichungen
- Grosse, M.; Lehmann, S.; Rautenstrauch, K:
Testing Connector Types of Laminated Timber-Concrete Composite Elements
International Council for Research and Inovation in Building and Construction
CIB - W18 Meeting Thirty-Four, Venice, Italy, August 2001 - Lehmann, S.; Grosse, M.; Rautenstrauch, K.:
New connector types of laminated timberconcrete composite element joints
Proceedings of the International RILEM Symposium: Joints of timber structures,
University of Stuttgart, 12 - 14 September 2001 - Lehmann, S.; Grosse, M.; Rautenstrauch, K.:
Laminated-timber concrete composite elements
EU-Projekt TWIG-Transnational Woodland Industries Group (2002)
E-conference:http://www.twig-project.net
Untersuchung des Biegetragverhaltens hybrider Verbundelemente aus Holz und mineralischen Deckschichten
Forschungsthema:
Untersuchung des Biegetragverhaltens hybrider Verbundelemente aus Holz und mineralischen Deckschichten unter besonderer Berücksichtigung eines Haftverbundes zwischen den Baustoffschichten.
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Steffen Lehmann
Forschungsförderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Zusammenfassung
Dass hybride Verbundelemente aus dem nachwachsenden Baustoff Holz im Zusammenwirken mit mineralischen Deckschichten sowohl eine wirtschaftliche als auch unter ökologischen, bauphysikalischen und statischen Aspekten eine innovative Lösung für zukünftige bauliche Aufgaben darstellen, wurde besonders in den letzten Jahren durch zahlreiche Veröffentlichungen und Pilotprojekte deutlich. Insbesondere ist die effiziente, möglichst wirtschaftliche schubsteife Ausbildung der Verbundfuge zwischen Holz und Deckschichten aus Beton oder anderen mineralischen Baustoffen sowie das unterschiedliche zeit- und feuchteabhängige Verhalten beider Baustoffe noch Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben in allen führenden Holzbaunationen. Für die Steifigkeit und die Tragfähigkeit der Verbundkonstruktion ist natürlich die Ausbildung der Verbundfuge, d. h. die effektive Übertragung der Schubkraft ausschlaggebend.
Stiftförmige Verbindungsmittel eignen sich auf Grund der erforderlichen Randabstände senkrecht zur Kraft- und Faserrichtung weniger gut.
Die vom Antragsteller durchgeführten Versuche mit unterschiedlichen neuartigen nicht stiftförmigen Verbindungsmitteln in der Verbundfugehaben gezeigt, dass neben dem Einsatz von Verbindungsmitteln auch die Heranziehung, Erfassung und Optimierung des Haftverbundes zwischen flächigen Holzelementen und mineralischen Deckschichten eine effiziente und sichere Fugenausbildung darstellen kann. Weiterhin kann durch eine statistische Auswertung im Resultat ein Gesamtüberblick über das Tragverhalten von hybriden Verbundelementen mit mineralischen Deckschichten und spezieller Oberflächenbehandlung des Holzes gegeben werden.
Veröffentlichungen
- Grosse, M.; Lehmann, S.; Rautenstrauch, K:
Testing Connector Types of Laminated Timber-Concrete Composite Elements
International Council for Research and Inovation in Building and Construction
CIB - W18 Meeting Thirty-Four, Venice, Italy, August 2001 - Lehmann, S.; Grosse, M.; Rautenstrauch, K.:
New connector types of laminated timberconcrete composite element joints
Proceedings of the International RILEM Symposium: Joints of timber structures,
University of Stuttgart, 12 - 14 September 2001 - Lehmann, S.; Grosse, M.; Rautenstrauch, K.:
Laminated-timber concrete composite elements
EU-Projekt TWIG-Transnational Woodland Industries Group (2002)
E-conference: http://www.twig-project.net
Numerische Modellierung von Holz- und Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
Forschungsthema:
Numerische Simulation des Tragverhaltens von Brettstapel- Beton- Verbunddecken unter Berücksichtigung räumlich nichtlinearen Materialverhaltens
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Marco Grosse
Forschungsförderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Zusammenfassung
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit Hilfe geeigneter konstitutiver Materialmodelle auf Basis der Plastizitätstheorie das Tragverhalten und die Versagensmechanismen in Brettstapel-Beton- Verbundkonstruktionen zu simulieren. Zum Einsatz kommt dabei das Programmsystem ANSYS.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens müssen für die Baustoffe Holz und Beton dreidimensionale Bruchkriterien implementiert werden. Für den Stahl, als Grundwerkstoff für die meisten Verbindungsmittel sowie die Betonbewehrung, steht mit der im FE-Programm enthaltenen „von Mises“-Theorie ein gesichertes Materialmodell zur Verfügung. Um das Tragverhalten unter Berücksichtigung der Werkstoffschädigung exakter erfassen zu können, muss das aus Versuchen bekannte Ver- resp. Entfestigungsverhalten der Werkstoffe numerisch umgesetzt werden. Von Bedeutung ist ebenfalls die wirklichkeitsnahe Abbildung der Fugen zwischen den Baustoffen, wobei Kräfteumlagerungen durch ein Öffnen und/oder Abgleiten der Kontaktflächen erfasst werden müssen. Zur Verifikation der FE-Formulierung werden zahlreiche eigene und durch andere Forschungsgruppen veröffentlichte Versuchsergebnisse herangezogen. Mit Hilfe dieser Modelle ist die Berechnung der Tragfähigkeit verschiedener Verbindungstechniken in Abhängigkeit von der Materialgüte und Einbaubedingungen möglich. Von großem Interesse ist aber ebenfalls die Voraussage der Versagensmechanismen der Verbundelemente. So kann vor der Durchführung aufwendiger Scherversuche die Wirkung von Maßnahmen zur Erhöhung der Steifigkeit und Tragfähigkeit solcher Schubverbindungen simuliert werden.
Mit Hilfe des im Rahmen dieses Forschungsvorhabens zu entwickelnden Materialgesetzes für Holz ist es möglich, alle Bereiche mit hohen Spannungskonzentrationen zu untersuchen. Dies eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Berechnung der Rissentwicklung in hölzernen Bauteilen. Damit kann dieses numerische Modell als Grundalge für die Tragfähigkeitsuntersuchung z. B. von Queranschlüssen, Ausklinkungen und Durchbrüchen unter Berücksichtigung der räumlich nichtlinearen Materialeigenschaften dienen. Darüber hinaus ist eine Erweiterung zur Berücksichtigung von zeitabhängigem Materialverhalten angedacht.
Veröffentlichungen
- Grosse, M.; Rautenstrauch, K.; Schlegel, R.
Numerische Modellierung von Holz und Verbindungselementen in Holz-Beton-Verbundkonstruktionen
Bautechnik 82 (2005) Heft 6, S. 355-364
Beanspruchungsanalyse von Holzbauteilen durch 3D-Photogrammetrie
Forschungsthema:
Beanspruchungsanalyse von Bauteilen aus Voll- und Brettschichtholz durch Industriephotogrammetrie am Beispiel von Ausklinkungen und Durchbrüchen
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Willfried Schwarz
Dipl.-Ing. Steffen Franke
Dipl.-Ing. Bettina Franke
Forschungsförderer:
Das Forschungsvorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen mit Mitteln des Bundesministers für Wirtschaft und Arbeit gefördert.
Zusammenfassung
Ziel des Forschungsprojektes ist die Erarbeitung der Grundlagen zur Durchführung von Beanspruchungsananlysen an Bauteilen aus Voll- und Brettschichtholz. Die Beurteilung der Tragfähigkeit von Bauteilen erfolgt üblicherweise durch den Vergleich eines charakteristischen Wertes einer Beanspruchung mit dem kritischen materialspezifischen Wert dieser Einflussgröße.
Die Ermittlung der Nennspannung kann auch durch geeignete experimentelle Methoden bei bekannter Spannungs-Dehnungs-Beziehung anhand gemessener Dehnungen erfolgen. Die Dehnnungsmessung auf der Oberfläche ebener Bauteile im Ingenieurholzbau erfolgte bislang überwiegend mittels Dehnmesstreifen oder taktiler Wegaufnehmer. Angestrebt war es im Forschungsvorhaben die Verformungen aus berührungslosen Messungen auf der Grundlage der digitalen 3D-Photogrammetrie zu bestimmen. Im Rahmen des Projektes konnte eine Genauigkeit der Verformungsbestimmung von wenigen Mikrometern erreicht werden.
Die Genauigkeit des vorgestellten Messverfahrens ist herkömmlichen Messmethoden zur Dehnungsbestimmung äquivalent, bietet jedoch wegen des berührungslosen Messprinzips wesentliche Vorteile. Verformungen können ohne Beeinflussung des mechanischen Zustandes bildhaft erfasst und durch eine anschließende Auswertung quantifiziert werden. Bei der klassischen Methode ist es oftmals wegen der Platzverhältnisse unmöglich, entsprechende dichte Informationen über das Dehnungsverhalten zu gewinnen. Mit dem photogrammetrischen Messsystem besteht die Möglichkeit die Anzahl der Messpunkte so zu erhöhen, dass ein wesentlich vollständigeres Bild des örtlichen Verformungsfeldes gewonnen werden kann. Der hohe Genauigkeitsgrad des Messverfahrens in Verbindung mit den Vorteilen der berührungslosen und zerstörungsfreien Messung eröffnet die Möglichkeit einer völlig neuen Qualität der Verformungsmessung und somit der Interpretation mechanischer Zustände an belasteten Bauteilen. So können realitätsnahe bruchmechanische Kennwerte aus der Kombination experimenteller Untersuchungen zur Bestimmung der Rissaufweitung und der Risslänge mit daran anschließender FE-Simulation gewonnen werden und einen wichtigen Beitrag für neue Bemessungsvorschläge leisten.
Forschungsbericht
Veröffentlichungen
- Schwark, M.; Franke, S.; Franke, B.; Rautenstrauch, K.
Beanspruchungsanalyse von Bauteilen aus Voll- und Brettschichtholz durch Industriephotogrammetrie am Beispiel von Ausklinkungen und Durchbrüchen
Schriftenreihe des DVW INTERGEO Band 46/2004, ISBN 3-89639-451
Straßenbrücken in Holz-Beton-Verbundbauweise
Forschungsthema:
Weiterentwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise unter Einsatz von blockverleimten Brettschichtholzquerschnitten bei Straßenbrücken
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Antje Simon
Forschungsförderer:
Das Forschungsvorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen mit Mitteln des Bundesministers für Wirtschaft und Arbeit gefördert.
Zusammenfassung
Die im Hochbau entwickelte Holz-Beton-Verbundbauweise eröffnet auch dem Brückenbau interessante Zukunftsperspektiven. Durch sinnvolle Kombination des Betons in der Druckzone und des Holzes in der Zugzone eines Verbundquerschnittes lassen sich die positiven Eigenschaften beider Baustoffe optimal ausnutzen. Insbesondere im Verbund von blockverleimten Brettschichtholzträgern mit Beton eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten im Straßenbrückenbau. Anspruchsvolle Ästhetik durch vielgestaltige, schlanke Querschnittsformen bei Krümmung im Grund- und Aufriss ist realisierbar.
Durch die Kombination von blockverleimten Brettschichtholz-Hauptträgern mit einer Stahlbetonfahrbahn lassen sich vielfältige Probleme, die bei hölzernen Straßenbrücken auftreten, lösen. Neben den aus dem Hochbau bekannten Vorteilen der hohen Tragfähigkeit bei geringer Bauteilhöhe und der Verbesserung des Schwingungsverhaltens durch höheres Eigengewicht ergeben sich für den Brückenbau zusätzliche Vorteile gegenüber reinen Holzbrücken: Die Betonfahrbahnplatte bietet einen idealen konstruktiven Holzschutz für die Hauptträger. Im Betonbau bewährte konstruktive Anschlussdetails können eingesetzt werden. Durch die Betonplatte sind die Verteilung hoher Achslasten und die Abtragung der Horizontallasten einfacher realisierbar.
Ziel des Forschungsvorhaben ist es, unter Ausnutzung der Vorteile des Baustoffes Holz einen neuen, innovativen Prototyp für HBV-Brückenkonstruktionen zu entwickeln, der neben Beton- und Stahlverbundbrücken gleichwertig bestehen kann.
Neu in wissenschaftlicher Hinsicht ist dabei vor allem die Übertragung und Weiterentwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise vom Hochbau auf den Brückenbau, wobei insbesondere die Problematiken der Verbundfuge, des Langzeittragverhaltens und der dynamischen Beanspruchung zu lösen sind.
Das Forschungsprojekt beinhaltet die Entwicklung eines optimierten Verbindungsmittels für den Einsatz im Straßenbrückenbau.
Veröffentlichungen
- Rautenstrauch, K.; Döhrer, A.
Weiterentwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise unter Einsatz von blockverleimten Brettschichtholzquerschnitten bei Straßenbrücken.
Zwischenbericht zum Forschungsvorhaben 14275 BR/1, Februar 2006 - Rautenstrauch, K.; Döhrer, A.; Schaffitzel, J.
Moderne Brücken in Holz-Beton-Verbundbauweise - Eine Projektskizze
In: König, G..; Holschemacher, K.; Dehn, F. (Hrsg.): Holz-Beton-Verbund. Bauwerk Verlag, Berlin, 2004, S. 313-334 - Döhrer, A.
Zur Anwendung der Holz-Beton-Verbundbauweise im Brückenbau In: Kuhlmann, U.; Schänzlin, J.(Hrsg.): Forschungskolloquium
Holzbau Forschung + Praxis. Stuttgart, Februar 2006, Tagungsband, S.59-66 - Döhrer, A.; Rautenstrauch, K.
The construction of road bridges as timber-concrete composites.
9th World Conference on Timber Engineering, Portland, August 2006
2D-Photogrammetrie für die experimentelle Bestimmung der Beanspruchungen in Holzbauteilen
Forschungsthema:
Anwendung eines optischen 2D-Messverfahrens zur Untersuchung bruchmechanischer Kenngrößen und des dehnungsabhängigen Festigkeitsverhaltens von Holz
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Bettina Franke
Dipl.-Ing. Steffen Franke
Forschungsförderer:
Deutsche Forschungsgemeinschaft
Zusammenfassung
Photogrammetrie ist eine berührungslose Messtechnik, die durch die Interpretation von Messpunkten und Oberflächenstrukturen innerhalb von aufgezeichneten Messbildern geometrische wie physikalische Informationen gewinnt. Die intensive Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ermöglichte die schrittweise Entwicklung eines photogrammetrischen 2D-Messverfahrens an der Professur Holz- und Mauerwerksbau. Derzeitig können bereits für ausgewählte Beanspruchungsanalysen sogar online erste Messergebnisse sicher erreicht werden. Die Kompetenz des Messverfahrens beruht auf der berührungslosen Antastung eines feingliedrigen Messpunktrasters gegenüber den integralen und teilweise durch zusätzliche Apparaturen und Klebeschichten gestützten konventionellen Messtechniken. Informativ sind die Ergebnisse zur Beanspruchungsanalyse von Holz unter Druckbeanspruchung als kleiner Auszug zu dem bereits erfolgreich umgesetzten Versuchsprogramm dargestellt.
Das berührungslose Messen von frei differenzierbaren Messpunktrastern eröffnet nicht nur neue Perspektiven zur Erfassung des Entfestigungsverhalten von Holz bis in den Versagenszustand sondern auch die visuelle Übertragung des Versagensprozesses in numerische Simulationsrechnungen ist erzielbar. Diese intelligente Kombination der lokalen hochpräzisen messtechnischen Erfassung von Verzerrungsfeldern mit anschließenden numerischen FE-Simulationen führte zu viel versprechenden Erkenntnissen. Die erreichten Ergebnisse sind wegweisend für die weitere Erforschung der während der jeweiligen Beanspruchungssituation im Holz ablaufenden komplexen Prozesse.
Veröffentlichungen
- Franke, S.; Franke, B.; Rautenstrauch, K.
Strain analysis of wood components by close range photogrammetry
In: Materials and Structures (2007) 40:37-46 - Franke, S.; Franke, B.; Schober, K.-U.; Rautenstrauch, K.
Experimental verification of FE-Simulations of wood using photogrammetry
WCTE 2006 - 9th World Conference on Timber Engineering, Portland OR, USA 2006 - Franke, S.; Franke, B.; Rautenstrauch, K.
First Evaluation Steps of Design Rules in the European and German codes of Transverse Tension Areas
CIB-W18 meeting 39, Florenz, Italien, 2006 - Franke, B.; Franke, S.; Rautenstrauch, K.
Beanspruchungsanalyse von Holzbauteilen durch 2D-Photogrammetrie
Bautechnik 82 (2005) Heft 2, S. 61-68 - Franke, S.; Franke, B.; Rautenstrauch, K.
Determination of fracture mechanics parameters for wood with the help of close range photogrammetry
CIB-W18 meeting 37, Edinburgh, UK, 2004 - Rautenstrauch, K.; Franke, S.; Franke, B.; Becker, P.
Strain analysis of solid wood and glued laminated timber constructions by close range photogrammetry Third International Conference of the European Society for Wood Mechanics, Villa Real, Portugal, 2004 - Hujer, S.; Franke, B.; Rautenstrauch, K.
Strain analysis of solid wood and glued laminated timber constructions by close range photogrammetry
International Symposium Non Destructive Testing in Civil Engenineering (NDT-CE), Berlin
Forschungsvorhaben Entwicklung hybrider Verbundbauteile aus Holz mit mineralischer Deckschicht für den Hausbau
Forschungsvorhaben:
Entwicklung hybrider Verbundbauteile aus Holz mit mineralischer Deckschicht für den Hausbau
Forschungsthema:
Innovative nachhaltige Bauwerke durch effiziente Kombination von nachwachsenden Rohstoffen und einfach in Kreisläufe integrierbaren mineralischen Baustoffen in einer Hybrid-Bauweise
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dr.-Ing. Kay-Uwe Schober
Dr.-Ing. Antje Simon
Dipl.-Ing. Christian Dorn
Dipl.-Ing. Markus Jahreis
Dipl.-Ing. Jens Müller
Dipl.-Ing. Alexander Stief
Forschungsförderer:
FACHAGENTUR NACHWACHSENDE ROHSTOFFE e.V.
Zusammenfassung
Mit Einführung der neuen Musterbauordnung in Deutschland ergaben sich interessante Perspektiven und neue Absatzmärkte für den Baustoff Holz im mehrgeschossigen Wohn- und Gesellschaftsbau als ökologische Alternative zu den traditionellen Massivbauweisen. Wie auch die derzeitigen Entwicklungen in den Nachbarländern Österreich und Schweiz zeigen, sind die komplexen Anforderungen an mehrgeschossige Gebäude in Holzbauweise jedoch in der marktüblichen Holzrahmenbauweise wirtschaftlich kaum zu lösen. Ziel des Forschungsvorhabens war deshalb die Nutzung der aufgezeigten vielfältigen Chancen für den Einsatz im mehrgeschossigen Holzbau durch Weiterentwicklung bekannter Technologien und Entwicklung neuartiger hybrider massiver Holzverbundbauteile unter Einsatz von natürlichen Faserstoffen in mineralischen Deckschichten.
Zur Klärung der Anwendbarkeit von biogenen Fasern in mineralisch gebundenen Funktionsschichten wurde neben der Eignung als Zuschlagstoff zu mineralischen Verbundmaterialien vor allem die erforderlichen Eigenschaften in Bezug auf Faserfestigkeit und Steifigkeit der Verbundwerkstoffe, sowie die Qualitätsanforderungen bei Beachtung bauphysikalischer Aspekte untersucht. Dabei wurden Kombinationen mit günstig aufbereitbaren mineralischen Verbundmaterialien, wie Lehm, Zement, und Anhydrit berücksichtigt. Die konstruktive Auslegung der entwickelten Bauelemente erfolgte in experimentellen und theoretischen Untersuchungen zu Wand- und Deckenelementen aus Massivholzprodukten mit mineralischer Deckschicht. Dabei wurden insbesondere die Knotenpunkte für hybride Massivholz-Verbundkonstruktionen im Bereich des Anschlusses der Deckenelemente an die Wandelemente näher untersucht und geeignete wirtschaftliche Grundsatzlösungen entwickelt. Die bautechnische Beurteilung der erarbeiteten Detaillösungen, die Lasteinleitung und Exzentrizitäten berücksichtigen und gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich der Bauphysik und der Gebrauchstauglichkeit erfüllen, erfolgte dabei durch die Verifikation der entwickelter Strukturmodelle mit den experimentellen Untersuchungen sowie mit den Messergebnissen der Nahbereichsphotogrammetrie.
Veröffentlichungen
- Prof. Holz- und Mauerwerksbau:
Flyer: Hybrider Verbundbauteile aus Holz mit mineralischer Deckschicht. 2009 (Flyer als Download, .pdf) - K. Rautenstrauch, K.-U. Schober; A. Simon; C. Dorn; M. Jahreis; J. Müller; A. Stief:
Innovative nachhaltige Bauwerke durch effiziente Kombination von nachwachsenden Rohstoffen und einfach in Kreisläufe integrierbaren mineralischen Baustoffen in einer Hybrid-Bauweise - Forschungsbericht
Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Professur Holz- und Mauerwerksbau, Forschungsprojekt FNR 22024505, 2008
1. Schlussbericht
2. Anhang
Ertüchtigung von Holzbalkendecken mit mineralischer Deckschicht
Forschungsthema:
Energieeffiziente und nachhaltige Ertüchtigung von Holzbalkendecken in Bestandsbauwerken durch ökologische, mineralische Deckschichten
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Alexander Stief
Forschungsbeteiligte:
Professur Holz- und Mauerwerksbau der Bauhaus-Universität Weimar
Firma Thomas Burghause, Estrich- und Putzarbeiten, Saalfeld
Franken Maxit GmbH & Co., Kasendorf
Forschungsförderer:
Das Forschungsvorhaben wird von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guerike" e. V. (AiF) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.
Zusammenfassung
Bei diesem Kooperations-Forschungsprojekt soll eine unter energetischen und ökologischen Gesichtspunkten sehr effektive Sanierungsvariante für Bestandsbauwerke erarbeitet und untersucht werden, um mit geringen Eingriffen in die Bausubstanz das konstruktive Traggerüst von Decken zu verstärken und zu ertüchtigen. Die im direkten Verbund zum Untergrund aufgebrachte mineralische Deckschicht soll für die statisch-konstruktive Erhöhung der Tragfähigkeit genutzt werden. Beim Einsatz von Calciumsulfat-Fließestrich kann durch das sehr geringe Schwindmaß auf die sonst übliche Bewehrung verzichtet werden, was erhebliche Vorteile in Bezug auf ein geringeres Eigengewicht und den personal- und kostenintensiven Einbau mit sich bringt. Durch die Kombination natürlicher Materialien ergibt sich ein Verbundbauteil, was hinsichtlich konstruktiver und bauphysikalischer Eigenschaften optimal den Erfordernissen angepasst ist und sich hauptsächlich durch den Einsatz nachhaltiger und ökologischer Baustoffe auszeichnet. Auf Grund des geringen Primärenergiebedarfs bei der Herstellung und Aufbereitung der Materialien wird zu einer aktiven Senkung des CO2-Ausstoßes und zu einer essentiellen Energieeinsparung beigetragen.
Entwicklung eines Hochleistungsverbundsystems aus Kunststoffen und Holz
Forschungsthema:
Entwicklung eines Hochleistungsverbund-Trägersystems aus dem nachwachsenden Baustoff Holz mit innovativen Hochleistungswerkstoffen im direkten Verbund
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Wolfram Hädicke
Dipl.-Ing. Markus Jahreis
Dipl.-Ing. Martin Kästner
Mike Oppel M.Sc.
Forschungsbeteiligte:
Professur Holz- und Mauerwerksbau der Bauhaus-Universität Weimar
Firma Bennert GmbH, Hopfgarten
Forschungsförderer:
Das Forschungsvorhaben wird durch die Thüringer Aufbaubank (TAB) mit Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert.
Zusammenfassung
Anspruchsvolle, weitgespannte Ingenieurholzkonstruktionen werden seit über 100 Jahren überwiegend unter Verwendung von Brettschichtholz realisiert. Durch Weiterentwicklung dieses homogenisierten Holzwerkstoffproduktes zu einem hybriden Hochleistungsverbundbauteil können dem natürlichen Roh- bzw. Baustoff Holz weitere Anwendungsfelder erschlossen werden. Hierzu zählen insbesondere Leichtbaustrukturen mit gesteigerten Anforderungen hinsichtlich aufnehmbarer Lasten, größeren Spannweiten und/oder reduzierter Bauhöhe im Hoch-, Industrie- und Straßenbrückenbau. Im Rahmen eines Verbundforschungsprojektes der Bauhaus-Universität Weimar und der Bennert GmbH wurden innovative Konstruktionsansätze zur Herstellung hocheffizienter Hybridbauteile unter Verwendung von Holz als Hauptbaustoff, polymergebundenen mineralischen Deckschichten zur Druckzonenverstärkung sowie kohlefaser- resp. glasfaser- oder stahlverstärkten Furnierschichtholzlamellen zur Zugzonenverstärkung entwickelt. Zusätzliche Verstärkungselemente steigern die Schubtragfähigkeit oder verbessern die Aufnahme der Querpressungen an den Auflagern.
Hauptbaustoff des entwickelten „High-Tech Timber Beam“, ist weiterhin Brettschichtholz, mit über 90%des Trägervolumens. Durch Substitution der unteren Brettschichtholzlamellen durch Lamellen aus Furnierschichtholz wird eine wesentliche Vergleichmäßigung der Holzeigenschaften in der Trägerzugzone erreicht. Zur Zugzonenverstärkung wurden vier Varianten entwickelt und im Rahmen von Bauteilversuchen an HTB-Prototypen versuchstechnisch untersucht. Aufgrund der, verglichen mit Holz, wesentlich höheren Festigkeiten und Steifigkeiten der verwendeten Materialien wird eine signifikante Tragfähigkeitssteigerung und Verbesserung des Verformungsverhaltens erreicht.
Ein starrer Verbund zum Holz wird durch Verklebung bzw. Verguss mit Polymermörteln sichergestellt. Zur Verstärkung der Druckzone wurde eine Polymerbetonmischung auf Basis des Epoxidharzsystems Compono® mit anwendungsspezifisch abgestimmter Kornabstufung entwickelt. Die Polymerbetonmischung zeichnet sich durch eine hohe Druckfestigkeit eine gleichfalls hohe Steifigkeit sowie durch geringe Kriech- und Schwindneigung aus. Infolge des sehr guten Haftverbundes zwischen polymerem Bindemittel und der Holzoberfläche wird eine kontinuierliche, starre Verbindung erreicht.
Veröffentlichungen
- Jahreis, M.; Schober, K.U.; Hädicke, W.; Rautenstrauch, K.
"Non-destructive testing, measurement and numerical damage analysis of high demanding stress regions in FRP reinforced timber structures”
In: Proceedings of the ACMA-meeting “COMPOSITES 2010”. Las Vegas, Nevada, USA - Schober, K.U.; Jahreis, M.; Rautenstrauch, K.
„Fracture and delamination prediction for unidirectional fiber-reinforced timber structures using failure-mode concept based strength criteria“
In: Proceedings of the ACMA-meeting “COMPOSITES 2010”. Las Vegas, Nevada, USA - Jahreis, M.; Schober, K.U.; Hädicke, W.; Rautenstrauch, K.
„Hochleistungswerkstoffe im Verbund – Ein Forschungsprojekt zur Ertüchtigung von Holztragwerken“
Poster: "Ein Tag im Land der Ideen", Weimar, Juni 2010 - Jahreis, M.; Kästner, M.; Rautenstrauch, K.
„Experimental and numerical analyses of glued FRP and Wood by epoxy resin“
In: Proceedings of the ACMA-meeting “COMPOSITES 2012”. Las Vegas, Nevada, USA - Jahreis, M.; Hädicke, W.; Kästner, M.; Rautenstrauch, K.
„High-Tech Timber Beam“
ACMA innovation awards, Las Vegas, Nevada, USA, Februar 2012 - Jahreis, M.
„Experimentelle Untersuchungen zum Tragverhalten von Reparaturverbindungen an Holzträgern - Längsstoß mit eingeleimten GFK-Stäben“
In: Tagungsband zum Forschungskolloquium „Forschung und Praxis im Holzbau 2012“, Universität Stuttgart, März 2012 - Kästner, M.
„Optimierung des Tragverhaltens lokal hochbeanspruchter Lasteinleitungsbereiche in weitgespannten Ingenieurholzkonstruktionen – Experimentelle und numerische Untersuchungen“
In: Tagungsband zum Forschungskolloquium „Forschung und Praxis im Holzbau 2012“, Universität Stuttgart, März 2012 - Rautenstrauch, K.; Jahreis, M.; Kästner, M.; Hädicke, W.
„Development of High-tech Timber Beam“
In: Proceedings of Early Stage Researchers Conference of COST Action FP 1004 “Enhance mechanical properties of timber, engineered wood products and timber structures”, ISBN 85790 176 2, Zagreb, Croatia, April 2012 Beitrag - Rautenstrauch, R.; Jahreis, M.; Kästner, M
„Entwicklung eines Hochleistungsverbundsystems aus Kunststoffen und Holz“
In: naro.tech 9. Internationales Symposium „Werkstoffe aus Nachwachsenden Rohstoffen“. September 2014 Erfurt
Ermüdungsverhalten spezieller Verbundelemente für Holz-Beton-Verbundstraßenbrücken
Forschungsthema:
Trag-, Verformungs- und Ermüdungsverhalten spezieller Verbundelemente für Holz-Beton-Verbundstraßenbrücken
Arbeitsgruppe:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Rautenstrauch
Dipl.-Ing. Jens Müller
Forschungsbeteiligte:
Professur Holz- und Mauerwerksbau der Bauhaus-Universität Weimar
Versuchstechnische Einrichtung (VTE) der Bauhaus-Universität Weimar
Firma Bennert GmbH, Hopfgarten b. Weimar
Fa. STRAB Ingenieurholzbau Hermsdorf GmbH
Forschungsförderer:
Das Forschungsprojekt wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e. V. (AiF) unter der Vorhabennummer 16266 BR in Zusammenarbeit mit dem internationalen Verein für Technische Holzfragen e. V. (iVTH e. V.) als Nachfolger der Deutschen Gesellschaft für Holzforschung e. V. (DGfH e. v.) finanziert. Für die gewährte Unterstützung sei allen Förderern auch an dieser Stelle recht herzlich gedankt.
Zusammenfassung
Aufbauend auf den Erkenntnissen des AiF-Vorgängerforschungsvorhabens 14275 BR, dessen wichtigste Ergebnisse die Entwicklung eines für die Anwendung in Holz-Beton-Verbundstraßenbrücken geeigneten Schubverbundelementes und die Überführung dieses Prototyps mit Hilfe eines Pilotprojektes in die Praxis waren, konnten nunmehr im Rahmen dieses Forschungsprojektes wichtige weiterführende Untersuchungen zum Trag- und Ermüdungsverhalten des Verbundelementes Dübelleiste durchgeführt werden.
Im Forschungsprojekt lag dabei der Fokus der durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen hauptsächlich auf der Gewinnung von Erkenntnissen zur Beurteilung des holzseitigen Ermüdungstragverhaltens der Dübelleiste. In diesem Zusammenhang war die Durchführung einer Vielzahl sehr aufwendiger sowie zeitintensiver experimenteller Bauteilversuche notwendig, bei denen neben der bekannten, konventionellen Verbundfugenausbildung auch ein neues, modifiziertes Fugendesign untersucht werden konnte, welches durch die zusätzliche Anordnung jeweils eines Polymerbetonverguss-Streifens im lastübertragenden Kontaktbereich zwischen der Stahlplatte der Dübelleiste und dem angeschnittenen Hirnholz im Kervenbereich der blockverleimten Brettschichtholzträger charakterisiert ist.
Neben elf Kurzzeitschertests konnten insgesamt 24 Versuche unter schwellender Druckbelastung mit drei unterschiedlichen Lastniveaustufen, deren Oberlasten 40, 50 und 60 % der mittleren Kurzzeitbruchlast betrugen, durchgeführt werden. Dabei zeigen sowohl die experimentellen Ergebnisse der Kurzzeitscher- als auch der Versuche unter oft wiederholter Beanspruchung deutlich die Vorteile der Anordnung einer Polymerbeton-Vergussfuge im lastübertragenden Bereich. Der Einsatz des hochfesten Reaktionsharzmörtels ermöglicht dabei einen Ausgleich stets vorhandener geringer Herstellungstoleranzen, sodass die Dübelleiste voll kraftschlüssig in die im Holz vorgefräste Kerve eingebaut werden kann. Infolge dieser Passgenauigkeit und der damit verbundenen Eliminierung des Anfangsschlupfes können hohe Verbundelementsteifigkeiten sowie eine sehr gleichmäßige Lastverteilung in der Holzkontaktfuge erreicht werden, was wiederum im Vergleich zur konventionellen Fugenausbildung ohne Verguss-Streifen zu deutlich geringeren Schwankungsbreiten bei den experimentellen Ergebnissen führte und somit zu einer sicheren schlupffreien Schubkraftübertragung wesentlich beitrug.
Im Nachgang der sehr aufwendigen experimentellen Versuche unter oft wiederholter Belastung mit einer Mindestschwingspielzahl von über zwei Millionen Lastwechseln sowie einer jeweils benötigten Laufzeit von etwa zehn Tagen, konnten auf Basis statistischer Analysen, in Anlehnung an sogenannte „Wöhlerlinien“, Vorschläge für Ermüdungskennlinien für die beiden unterschiedlichen Ausbildungen der Holzscherfuge erarbeitet werden, welche somit eine zuverlässige Beurteilung des Ermüdungstragverhaltens der Dübelleiste erlauben. Die auf diese Weise erarbeiteten Resultate zur Dauerfestigkeit bzw. zum Verlauf der Kurzzeit-, Zeit- und Dauerfestigkeitsgeraden für beide Verbundfugenausbildungen konnten in das in Eurocode 5 (DIN EN 1995-2) bestehende Nachweiskonzept zu Ermüdungsbeanspruchungen nahtlos integriert und somit ein praxisgerechter Bemessungsvorschlag unterbreitet werden.
Veröffentlichungen
- Rautenstrauch, K.; Müller, J.
„Trag-, Verformungs- und Ermüdungsverhalten spezieller Verbundelemente für Holz-Beton-Verbundstraßenbrücken“
Kurzbericht (deutsch und englisch) zum IGF-Vorhaben 16266 BR (AiF) zur Veröffentlichung für die iVTH-Mitglieder Bauhaus-Universität Weimar, September u. November 2011 - Mueller, J.; Rautenstrauch, K.
„Fatigue Behaviour of the Stud Connector Used for Timber-Concrete Composite Bridges“
Paper 44-7-3 of 44th CIB-W18-Meeting, Alghero, Italy, September 2011 - Müller, J.
„Zum Tragverhalten spezieller Verbundelemente für Holz-Beton-Verbundstraßenbrücken unter zyklischer Beanspruchung“
In: Tagungsband zum Doktorandenkolloquium „Forschung und Praxis im Holzbau 2012“, Universität Stuttgart, März 2012 - Rautenstrauch, K.; Mueller, J.
„Fatigue Behavior of Timber-Concrete Composite Road Bridges“
In: Proceedings of Early Stage Researchers Conference of COST Action FP 1004 “Enhance mechanical properties of timber, engineered wood products and timber structures”, ISBN 85790 176 2, Zagreb, Croatia, April 2012 Beitrag