Forschungsprojekte
Sicherheitskonzepte für hybride Konstruktionen
Förderung durch DFG
Im Bauwesen ist seit einigen Jahren ein Trend zu hybriden Konstruktionen vorhanden. Diese bestehen aus verschiedenen, auf die Belastung abgestimmten Materialien. Bisher wird das Sicherheitsniveau durch die Wahl von Sicherheitsbeiwerten für die unabhängige Tragwirkung der einzelnen Materialien erreicht. Da aber Spannungszustände und Versagensmodi stark mit der Kombination der verwendeten Verbundmaterialien innerhalb des Bauteils und insbesondere den Eigenschaften der Verbundfuge (nachgiebig oder starr) zusammenhängen, wird ein für hybride Konstruktionen allgemeingültiges Sicherheitskonzept entwickelt. In Zusammenarbeit mit der TU Kaiserslautern werden ergänzend mit Hilfe von Push-Out- und Verbundträgerversuchen die komplexen FE-Modelle für Verbundträger kalibriert. Mit den so gewonnen Daten werden probabilistische Berechnungen durchgeführt und die Bemessungswerte bestimmt. Es werden die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit (elastisch bzw. plastisch) betrachtet.
Ansprechpartner:
Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler
Rissbreitenerfassung bei durchlaufenden Verbundträgern mit Teil- und Ganzfertigteilen
Förderung durch AiF
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines geeigneten Modells zur Erfassung der Rissbreiten durchlaufender Verbundträger mit Teil-und Ganzfertigteilen. Die Verwendung von Fertigteilen bei Stahlverbundträgern führt aufgrund der werksseitigen Herstellung und der Trennung der Bauvorgänge zur Verbesserung von Qualität und Materialeigenschaften sowie zur Verringerung der Bauzeiten und Baukosten. Es gibt bisher keine allgemein gültigen Untersuchungen, ob und in welcher Form sich die Fertigteilbauweise im Innenstützenbereich insbesondere an den Querfugen hinsichtlich der Gebrauchstauglichkeit unterscheidet und ob die Rissbildung mit den heute üblichen Rechenmodellen ausreichend sicher beschrieben werden kann. Ausgehend von Großversuchen an Verbundträgern und unter Anwendung von Bauwerksmessungen sollen die bekannten Rechenansätze für Verbundträger mit reinem Ortbetongurt erweitert und für Verbundträger mit beliebiger Ausbildung des Betongurtes verallgemeinert und als praxistauglicher Bemessungsvorschlag formuliert werden.
Ansprechpartner:
Stephan Voß, M. Eng.
Probabilistische Lebensdauervorhersage von Schweißverbindungen
Förderung durch DFG
Die rechnerische Ermüdungsanalyse hängt nicht nur stark von der Streuung der (für Einstufenbeanspruchungen ermittelten) Wöhlerlinie, sondern insbesondere auch von der Schadensakkumulationshypothese ab. Für Konstruktionen des Bauingenieurwesens ist jedoch die Betrachtung von Mehrstufenbeanspruchungen besonders wichtig. Die Konstruktionen werden durch Kollektive beansprucht, deren Höchstwerte häufig nur wenig oberhalb der Dauerfestigkeit liegen und deren Lasten in unbekannter Abfolge auftreten.
Experimentelle Ergebnisse zu Lebensdauer und Dauerfestigkeit sind für eine solche Beanspruchung in Datensammlungen kaum zu finden, hier aber von besonderem Interesse. Die hohen ertragbaren Lastwechsel bei derartigen Kollektiven führen zu sehr langen Versuchsdauern und damit einem großen Aufwand. Die aktuell durchgeführten Betriebsfestigkeitsversuche repräsentieren die umfangreichen Charakteristika ermüdungsgefährdeter Baukonstruktionen (z.B. Straßen-/Eisenbahnbrücken, Windenergieanlagen).
Eine lineare Schadensakkumulation, z. B. Miner-original, kann bei niedrigen Kollektivhöchstwerten zu großen Unsicherheiten und einer geringen Treffsicherheit führen. Mit den experimentell ermittelten Lebensdauerwerten
wird die Treffsicherheit von Lebensdauervorhersagen analysiert und systematisch ausgewertet.
Ansprechpartner
Raphael Erlemann, M.Sc.
Windingenieurwesen - Winderregte Querschwingungen
Finanzierung durch individuelle Bauherren
Anhand von Windkanalversuchen und Bauwerksmessungen wird das Schwingungsverhalten schlanker windbeanspruchter Bauteile untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei winderregte Querschwingungen von schlanken Zugstäben, wobei insbesondere Dämpfung und Normal- bzw. Vorspannkräfte einer vertieften Betrachtung unterzogen werden. Diese Untersuchungen sind insbersondere für große Brücken mit entsprechend langen Hängern aufgrund ihrer ungünstigen dynamischen Eigenschaften relevant.
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler
Sicherheitsäquivalente Bewertung von Brücken durch Bauwerksmonitoring
Förderung durch HBM, verschiedene Baulastträger sowie der Forschungsinitiative mFUND (OSIMAB)
Die wirtschaftliche Bedeutung realitätsnaher Erkenntnisse zur Sicherheit bzw. Dauerhaftigkeit des Brückenbestandes ist als sehr hoch einzuschätzen. Aus Kostengründen ist es nicht möglich, alle älteren bzw. nicht mehr ausreichend tragfähigen Straßen- als auch Eisenbahnbrücken kurzfristig zu erneuern. Durch Bauwerksmessungen an Brückenbauwerken werden Stahl- und Betondehnungen bzw. Rissbewegungen unter laufendem Verkehr sowie Querschnittstemperaturen über einen längeren Zeitraum aufgezeichnet, was für eine realitätsnahe Bewertung der Beanspruchungen sehr hilfreich ist. Dadurch stehen zusätzliche Informationen zur Verfügung, die eine genauere Bewertung des Bauwerks ermöglichen und im Sicherheitskonzept berücksichtigt werden sollten. Allerdings sind die für den Neubau zu berücksichtigenden Sicherheitselemente für die Bewertung viel zu weit auf der sicheren Seite. Durch messtechnisch abgesicherte und probabilistisch begründete modifizierte Sicherheitselemente sowie objektspezifische Anpassungsfaktoren für das Lastmodell können deutliche rechnerische Reserven in den meisten Bauwerken aufgedeckt werden.
Ansprechpartner:
Marco Maibaum, M.Sc.
Ansprechpartner:
Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler
Dauerhafte Zustandsüberwachung von Bestandsbrücken
Förderung durch Forschungsinitiative mFUND
Der Brückenbestand der Straßenbrücken in Deutschland altert. Die gleichzeitig anwachsende Belastung durch das gestiegene Transportaufkommen auf den Straßen führt zu einem großen Handlungsbedarf bei der Instandhaltung und Zustandsüberwachung von Brücken. Für neue Strategien der Zustandsüberwachung ist es entscheidend, dass eine Verschlechterung des Bauwerkszustands frühzeitig erkannt wird, bevor gravierende Schäden an der Brücke entstehen.
Am Fachgebiet E&K-Stahlbau werden Ansätze untersucht, wie Systemmodelle mit Messdaten eines Bauwerks "trainiert" werden können. Veränderungen des Tragwerks durch Schäden können daraufhin als Abweichungen neuer Messdaten zum trainierten Systemmodell erkannt werden (Outlier Detection). Als Systemmodelle werden dabei sowohl Finite Elemente (FE) Modelle, als auch Modelle des maschinellen Lernens betrachtet. Traditionelle Ansätze der Strukturüberwachung durch schwingungsbasiertes Monitoring werden dahingehend erweitert, dass eine Vielzahl von Sensortypen (Dehnmessstreifen, Wegaufnehmer, Neigungssensoren, Beschleunigungssensoren, ...) gleichzeitig im Systemmodel abgebildet werden. Die größte Herausforderung besteht darin, möglichst schadenssensitive Merkmale in den Daten zu definieren und Temperaturabhängigkeiten der Bauwerksantwort realitätsnah zu erfassen.
Die Forschung auf diesem Gebiet findet im Rahmen des Projekts Online-Sicherheitsmanagementsystem für Brücken (OSIMAB) statt, das durch die Forschungsinitiative mFUND (Modernitätsfonds) des BMVI gefördert wird.
Ansprechpartner:
Prof. Dr.-Ing. Karsten Geißler
Stabilitäts- und Zuverlässigkeitsanalyse von Kreiszylinderschalen unter Axialdruck
Förderung durch DFG
Moderne Behälter, die normalerweise in Form einer zylindrischen Stahlschale aufgebaut sind, erfreuen sich wegen ihres Leichtgewichts, günstiger Verarbeitbarkeit und riesigem Stauraum größter Beliebtheit. Aufgrund der starken Empfindlichkeit der zylindrischen, dünnwandigen Tragwerkstrukturen müssen jedoch neben der Verwendung einer nichtlinearen theoretischen Analyse auch die geometrischen Imperfektionen der Behälter berücksichtigt werden. Die geometrischen Imperfektionen von Zylinderschalen im Stahlbau sind zufällig verteilt und normalerweise unbekannt. Die "ungünstigste" Form der geometrischen Imperfektionen wird typischerweise für die Bemessung verwendet, die realen geometrischen Imperfektionen können jedoch auf diese Weise nicht genau beschrieben und quantifiziert werden. Dies kann zu Sicherheitsproblemen von Tank- und Silobauwerken oder sogar zum Kollaps dünnwandiger Schalenstrukturen führen. Hier setzt das Projekt an, welches auf die Entwicklung einer Berechnungsmethode für die Traglast von Kreiszylinderschalen abzielt.
Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Zheng Li
Ermüdungsfestigkeit von Kragträgern an Stahlverbundbrücken
Förderung durch BMDV und BASt
Beim Neubau von Großbrücken kommen zunehmend häufig geschlossene Stahlhohlkästen mit seitlichen Kragträgern zum Einsatz. Zur Sicherstellung einer ermüdungssicheren und damit dauerhaften Konstruktion sind aktuell teilweise konservative Festlegungen für den Anschluss des Kragträgers zu beachten.
Das Tragverhalten und die Ermüdungssicherheit des gesamten Kragträger-Anschlusses werden an Bauteilen im Maßstab 1:1 überprüft um die grundsätzlichen Unterschiede dreier Varianten bzgl. Herstellbarkeit, Schweißeigenspannungen und Kerbwirkungen zu überprüfen.
Als Ergänzung zu den Großbauteilversuchen werden Wöhlerversuche an Kleinbauteilen zum Kragträger-Untergurt- und Kragträger-Obergurt-Anschluss durchgeführt um die Einstufung unterschiedlicher Ausführungsvarianten in Kerbfälle des Nennspannungskonzeptes zu ermöglichen.
Ansprechpartner:
Raphael Erlemann, M.Sc.