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Diese Arbeit basiert auf der Untersuchung von hochfesten und ultrahochfesten Betonen mit und ohne Fasern unter zwei- und dreiaxialer Druckbeanspruchung. Die Auswirkung der unterschiedlichen Betonzusammensetzung ist für verschiedene Beanspruchungen nicht gleich ausgeprägt, dennoch konnten grundlegende Zusammenhänge herausgearbeitet werden. Anhand der Bruchbilder konnten die drei Versagensmechanismen Druck-, Spalt- und Schubbruch identifiziert werden, deren Charakteristik über die Kalibrierung an vier speziellen Versuchswerten direkt in das Bruchkriterium einfließen. Dieses stellt eine Erweiterung der Formulierung von OTTOSEN dar, so dass das spröde und z. T. anisotrope Verhalten von Hochleistungsbeton berücksichtigt wird. Die beobachteten Spannungs-Dehnungs-Verläufe korrelieren mit den Versagensformen. Deshalb wird ein Stoffgesetz getrennt für den Druck- und den Zugmeridian aufgestellt, dessen Parameter sich mit zunehmendem hydrostatischen Druck verändern. In die Anfangswerte fließen die Betonzusammensetzung und herstellungsbedingte Anisotropien ein. Die lastinduzierte Anisotropie infolge einer gerichteten Mikrorissbildung wird in dem vorgestellten Stoffgesetzt über richtungsabhängige Parameter ebenfalls berücksichtigt.

Zugbeanspruchte Übergreifungsstöße in Beton mit rezyklierter Gesteinskörnung (Recyclingbeton) und in Beton aus natürlicher Gesteinskörung (Ressourcenbeton) werden verglichen. Schlussfolgerungen für den Recyclingbeton bei der Konstruktion von Übergreifungsstößen und der Rissbreitenbegrenzung werden in ein Bemessungskonzept überführt. In einem Exkurs werden umweltökonomischer und wirtschaftlicher Nutzen des Recyclingbetons untersucht und können positiv bewertet werden. Laps with bars in tension in concrete with recycled aggregate (recycling concrete) and in concrete from natural aggregates (resource concrete) are compared. Conclusion for the design of laps in recycling concrete as well as for crack control in recycling concrete are conveyed into design rules. In an excursus the recycling concrete’s ecological and economical utility are analyzed. These utilities can be positively assessed.

Das Trag- und Verformungsverhalten unbewehrter Mauerwerksscheiben für den Lastfall Erdbeben wird im Rahmen dieser Arbeit experimentell und rechnerisch untersucht. Ziel ist u. A. die Quantifizierung der nichtlinearen Effekte in Form des Verhaltensfaktors q. Im Anschluss an eine umfassende Literatursichtung werden in einem ersten Schritt mit der weiterentwickelten Versuchsmethode der Pseudodynamik zehn geschosshohe Wände verschiedener Stein-Mörtel-Kombinationen im Maßstab 1:1 experimentell geprüft. Die Wandscheiben repräsentieren dabei die tragenden Schubwände mehrgeschossiger Gebäude. Unter Ausnutzung von Symmetrieeffekten können die Versuche jeweils auf die maßgebende Schubwand im untersten Geschoss reduziert werden. Als Erdbebeneinwirkung werden verschiedene auf das elastische Antwortspektrum von DIN 4149 angepasste, künstlich generierte Zeitverläufe unterschiedlicher Laststufen angesetzt. Insgesamt werden über 40 Hauptversuche und zahlreiche Nebenversuche an den 10 Wandscheiben durchgeführt. In der ersten Simulationsstufe werden die zu untersuchenden Bauwerke auf einen äquivalenten Einmassenschwinger in Form einer Kragscheibe reduziert, wohingegen in der zweiten Simulationsstufe die Untersuchungen an einem Mehrmassenschwinger erfolgen. Die oberen Geschosse werden hierbei als Sub-Struktur lediglich numerisch berücksichtigt, deren nichtlineare Steifigkeitscharakteristik in statisch-zyklischen Vorversuchen bestimmt wird. Die elastische Einspannung der Schubwände in die Stahlbetongeschossdecken erfolgt dabei durch Ansatz einer Momentendrehfeder. Die Erweiterung des Versuchsstandes mit den unabhängig computergesteuerten 2 Vertikal- und dem Horizontalzylinder ergibt die Möglichkeit, annähernd beliebige Kraft- und Verformungszustände, d.h. Wandkopfmoment, Normalkraft und horizontale Schubkraft, auf die Prüfwände aufzubringen und die Problematik konventioneller Prüfstände zu umgehen. Einen entscheidenden Eingangsparameter bei der Bestimmung der resultierenden Erdbebenbelastung einer Konstruktion stellen die Systemeigenperioden dar. Deren Ermittlung erfolgt entsprechend den neuen Erdbebennormen – DIN 4149 und Eurocode 8 – bei Mauerwerksbauten mit isotropem E-Modul und gegebenenfalls gerissenen Querschnitten. Jedoch zeigen die Versuche, dass bereits bei ungerissenen Querschnitten die Beschreibung mit isotropen Eigenschaften und E-Moduln aus der Beanspruchungsrichtung senkrecht zu den Lagerfugen, deutlich zu hohe Steifigkeitswerte liefert. Dieser Effekt ist bei geringer Wandnormalkraft besonders stark ausgeprägt. Zusätzlich tritt in den Versuchen mit zunehmender Horizontalbeanspruchung eine weitere Abnahme der Wandsteifigkeiten auf. Bei der Untersuchung des Einflusses des nichtlinearen Verhaltens auf die Lastreduktion wird ebenfalls eine Abhängigkeit des Systems erkennbar. Bei den Kragscheibensystemen der ersten Simulationsstufe liegt der Verhältniswert zwischen rechnerischer Einwirkung mit gemessenen Anfangswandsteifigkeiten und tatsächlich in den Versuchen aufgetretener Horizontalkraft im Mittel bei 2,8 wohingegen bei dem Mehrmassenschwinger dieser Effekt mit einem Bereich von 1,0 ÷ 2,2 deutlich geringer ausgeprägt ist. Für weitergehende Untersuchungen wird aufbauend auf das Schubmodell von Mann / Müller ein Materialmodell nach der Plastizitätstheorie unter Einbezug von Verfestigung- und Entfestigungseffekten entwickelt und anhand der eigenen Versuchsergebnisse überprüft. Im Zuge einer Parameterstudie mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode wird die Lastreduktion in Form des Verhaltensfaktors q über die Verschiebeduktilität der Einzelwand ermittelt. To study the behaviour of unreinforced masonry constructions under seismic loadings and to quantify the nonlinear effects – in current design codes e.g. Eurocode 8 and DIN 4149 covered by the behaviour factor q – experimental and also numerical investigations have been carried out. After a literature survey, experimental investigations have been performed on ten full-scale masonry walls with different materials (mortar-brick-combinations) using the advanced pseudo-dynamic test method. The test specimens representing load-bearing shear walls in multi-storey-structures. Due to symmetries the experiments have been reduced to the relevant shear wall of the first storey. The seismic input as ground acceleration time-history was generated artificially corresponding to the elastic response spectra of DIN 4149, representing regions of low and moderate seismicity. Totally 40 main tests and several preliminary tests have been performed on the 10 test specimens. In the first step the investigated structure was reduced to a single-degree-of-freedom-system (SDOF) whereas in the second step a multi-degree-of-freedom-system (MDOF) was used. As hereby the wall in the first storey was tested during the experiments under combined normal-bending-shear-stress the structure of the upper stories – i.e. shear walls and also their elastic restraint in the concrete slabs – was considered just numerically as a sub-structure. Its nonlinear characteristics were determined in preliminary static-cyclic tests on the masonry walls under adapted normal forces. The results lead to the perception, that the stiffness-description given in current codes e.g. Eurocode 6 and Eurocode 8 – i.e. isotropic E-modulus and partially cracked cross-section – overassesses the real stiffness of the walls. A significant dependency on the structural system has been found. The load reduction – represented by the behaviour factor q – was observed in the range of 1.0 up to 2.8 depending on several parameters e.g. structural system, failure mode, normal stress etc. For further investigations a material model based on the theory of plasticity taking in account hardening and softening effects has been developed. The numerical investigations using the finite-element-method have been validated comparing to the results of the experimental investigations. General a good match was found. Finally a parametric study has been performed to determine the behaviour factor q.

Das Trag- und Verformungsverhalten von nachträglich ergänzten Betonbauteilen wird neben dem Bewehrungsanteil maßgeblich von den Eigenschaften des Haftverbundes und der Rissuferverzahnung zwischen Alt- und Neubeton bestimmt. In drei unterschiedlichen Versuchseinrichtungen wurde der Einfluss der Oberflächenrauheit und die Rolle der Materialeigenschaften (wie zum Beispiel die Kombination verschiedener Betonfestigkeiten zwischen 50 und 125 N/mm²) auf das Tragverhalten unbewehrter Betonschubfugen untersucht. Zur Quantifizierung der Rauheit im Hinblick auf ihre mechanische Wirkungsweise wurden verschiedene Verfahren und Messmethoden vergleichend beurteilt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Fähigkeit des nachträglich aufgebrachten Betons, die ihm zur Verfügung gestellten Oberfläche aufgrund seiner Konsistenz zu aktivieren, maßgebend für die Tragwirkung des Haftverbundes ist. Anhand eines neuen numerischen Verfahrens konnte das Tragverhalten der Rissverzahnung an 3-dimensionalen, gemessenen Rauheiten überprüft und mit verschiedenen geometrischen Modellvorstellungen verglichen werden. The load bearing capacity and structural behaviour of elements with concrete joints are determined, apart from the effect of shear reinforcement, by the material properties of adhesion and shear friction between the old and the new concrete. The effect of surface roughness and the role of different material properties (e.g. concrete strength between 50 and 125 MPa) on the structural behaviour of concrete joints was examined using three different experimental test set-ups. To describe the quality of roughness in respect to its’ mechanical impact, various procedures and measuring methods are compared. Test results show the relationship between the adhesion capacity and the surface which can be activated by the consistency of the later applied concrete. The test results show that the ability of the later applied concrete is determining to activate it provided the surface due to its consistency for the structural effect of the detention group.

Bei dem Verfahren zur Beurteilung der Ermüdungssicherheit von Koppelfugen bestehender Spannbetonbrücken wird das Querschnittstragverhalten mit einer zerstörungsfreien Langzeitmessung unter Betriebsbedingungen bestimmt. Dazu wird das Rissverhalten mit Rissbreitensensoren über die Steghöhe beobachtet, und parallel die Temperatur- und Verkehrsbelastung des Bauwerks über die Messung von Querschnittstemperaturen und -dehnungen ermittelt. Die somit erzielten Ergebnisse dienen zur Kalibrierung einer Simulation des Koppelfugenquerschnitts mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente. Dadurch erhält man ohne direkte Messung der Spann- und Betonstahldehnungen die Momenten-Spannungs-Beziehung des Querschnitts und kann damit einen Betriebsfestigkeitsnachweis hinsichtlich einer Ermüdungsgefährdung der Koppelfuge durchführen. The bearing behaviour of coupling joint cross-sections of existing post-tensioned concrete bridges is determined for the evaluation of the fatigue safety by using non-destructive long term measurements under service conditions. For this, the crack behaviour is observed with crack width sensors over the height of the web, and the temperature and traffic loading of the structure are calculated parallel from the measurement of cross-sectional temperatures and strains. The achieved results serve for the calibration of a finite element simulation of the cross-section. With this the moment-stress-relation of the cross-section is obtained without a direct measurement of the reinforcement strains. Afterwards a verification of the service strength of the cross-section has been carried out by using the obtained moment-stress-relation and the risk of a fatigue failure for the coupling joint is determined.

Reliability assessment, optimal design and optimal operation and maintenance of wind turbines are an area of significant interest for the fast growing wind turbine industry for sustainable production of energy. Offshore wind turbines in wind farms give special problems due to wake effects inside the farm. Reliability analysis and optimization of wind turbines require that the special conditions for wind turbine operation are taken into account. Control of the blades implies load reductions for large wind speeds and parking for high wind speeds. In this paper basic structural failure modes for wind turbines are described. Further, aspects are presented related to reliability-based optimization of wind turbines, assessment of optimal reliability level and operation and maintenance. Reliability assessment, optimal design and optimal operation and maintenance of wind turbines are an area of significant interest for the fast growing wind turbine industry for sustainable production of energy. Offshore wind turbines in wind farms give special problems due to wake effects inside the farm. Reliability analysis and optimization of wind turbines require that the special conditions for wind turbine operation are taken into account. Control of the blades implies load reductions for large wind speeds and parking for high wind speeds. In this paper basic structural failure modes for wind turbines are described. Further, aspects are presented related to reliability-based optimization of wind turbines, assessment of optimal reliability level and operation and maintenance.

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der experimentellen Analyse des Tragverhaltens von Hochleistungsbeton unter mehraxialer Beanspruchung. Dabei wurden sowohl die zwei und die dreiaxiale Drucktragfähigkeit als auch das Verhalten unter zweiaxialer kombinierter Druck Zug Beanspruchung untersucht. Für die Analyse kamen jeweils drei Betonfestigkeitsklassen zum Einsatz, C 55/67, C 70/85 und C 90/105. Innerhalb der durchgeführten Versuchsreihen wurden sowohl die jeweiligen Bruchlasten als auch die Spannungs Dehnungs Beziehungen ermittelt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden mit denen verglichen, die an Normalbeton gewonnen wurden. Aus diesem Vergleich wurden Schlußfolgerungen für den Einsatz von Hochleistungsbetonen abgeleitet. Zur mathematischen Beschreibung des Tragverhaltens von Hochleistungsbeton wurden für die untersuchten Beanspruchungsregime Näherungsfunktionen angegeben. The subject of this paper is the experimental analysis of the behavior of High Performance Concrete under multiaxial loading. Thereby the behavior under bi- and triaxial compression as well as the behavior under combined compression-tension stresses were examined. Three concrete grades were examined, C 55/67, C 70/85 and C 90/105. Within the test series, the ultimate loads and the stress-strain-relationships were determined. The results of the examinations were compared to the results which are already known for normal strength concrete. From these comparisons conclusions for the usage of high performance concrete were made. For the examined states of stress mathematical approximations are specified.

Die vorliegende Arbeit reflektiert die aktuelle Diskussion von Modellen zur Vorhersage von Rissbreiten und versucht, objektive Vergleichskriterien aufzustellen sowie Folgerungen für mögliche Lösungswege zu ziehen. Am Beginn steht eine ausführliche Auseinandersetzung mit dem Verbundmechanismus zwischen Betonstahl und Beton und den Möglichkeiten der Verbundanalyse. Ausgehend von eigenen Versuchen an kurzen Verbundlängen zur Untersuchung des Verbundverhaltens von Bewehrung in hochfesten Betonen wird in der Arbeit nach Möglichkeiten zur Vorhersage von Gleit- und Sprengbrüchen gesucht. Für Sprengbrüche, also Längsrissbildung, ist ein verbesserter Versuchsaufbau entwickelt worden, der Rückschlüsse auf die Verformungsentwicklung in der potentiellen Sprengbruchfläche und den Aufbau eines Verbundwiderstands unter Belastung ermöglicht. Es stellte sich trotz der Fortschritte in der Versagensanalyse dieser Versuche heraus, dass es wenig sinnvoll ist, die gewonnenen Verbundgesetze direkt auf lange Verbundlängen zur Ermittlung von Rissbreiten anzuwenden. Zur Simulation der mit Bauteilsituationen vergleichbaren langen Verbundlängen wird dagegen eine Hypothese über den Widerstand einer potentiellen Längsbruchfläche verwendet. Dabei wird die mögliche Reaktion von gekoppelten und voneinander abhängigen Betonzugringen um einen Betonstahl, vom Lasteintrag beginnend, sukzessive fortschreitend aufgebaut. Die Aufteilung der Zugringe folgt dabei einer Annahme über die Entwicklung von lokalen Verbundrissen nach Goto. Damit ist die Zugringtheorie von Tepfers auf lange Verbundlängen übertragbar und Simulationen von Zugstäben nahe an Tepfers theoretischen Ansätzen werden so ermöglicht. Die Rechnersimulationen an langen Verbundlängen im Vergleich zur Prognose nach MC 90 wurden für Einzelrissbildung und abgeschlossene Rissbildung an zylindrischen Dehnkörpergeometrien durchgeführt. Zur Verifizierung der zeitabhängigen Einflüsse wie Zwängungen aus Schwinden und Zugkriechen sind einfache Ansätze entwickelt worden. Am Ende dieser Analysen steht eine Neubewertung normativer Ansätze (MC 90/DIN 1045-1 sowie EN 1992-1-1) zur Berechnung einer charakteristischen Rissbreite. Eine Schlüsselstellung nimmt die richtige Prognose des wirksamen Rissabstands in allen Berechnungsmodellen ein. Anhand eines neu zusammengestellten Datensatzes und vorhandener Vergleichsdatensätze wurde die Performance der Modelle untersucht. Anwendungsbereiche, die problematisch erscheinen, konnten eingegrenzt werden. Es war zu folgern, dass die Ansätze für den effektiven Bewehrungsgrad und die Verbundspannung zu verbessern sind. Die daraufhin mit einem additiven Sicherheitselement und einem variablen Mindestwert entwickelte Modellalternative gegenüber den normativen Vorschlägen ist nun zielgerichteter und kann dabei eine effektivere und zuverlässigere Prognose der Rissbreite und damit der konstruktiven Bewehrungslösung liefern. Die Anforderungen an die Performance eines Rechenwertes der Rissbreite wk sind um ein Effektivitätskriterium für den Rissabstand srk ergänzt worden, dessen Vorhersagequalität entscheidend für effiziente und zuverlässige Vorhersagen der Rissbreite ist. Die Zuverlässigkeit des DIN-Ansatzes für Mindestbewehrung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist ebenfalls geprüft worden. Umfangreiche Zusammenstellungen, Beispiele und Parameterstudien sind im Anhang der Arbeit hinzugefügt, um die theoretischen Ergebnisse zu stützen und Lesern Vergleichsmöglichkeiten zu bieten. Dazu gehören auch zwei Ablaufpläne und Hilfsmittel für einfache Absicherungen, die die zu erwartenden Schwierigkeiten bei der Verwendung des normativen DIN 1045-1 Ansatzes zur Beschränkung auf kleine Rissbreiten ausgleichen können. The doctoral thesis reflects the recent discussion on the finding of suitable verification models for crack width control. It tries to assemble criteria for the comparison in order to draw conclusions from the outcome. In the very beginning stands a widespread analysis of the bond mechanisms between the reinforcing steel and the concrete. Starting from own testing on short embedment lengths in HPC, opportunities are researched for the prediction of a sliding or splitting failure of the surrounding concrete during bar pull-out. An improved test setup is developed by the Author to verify the splitting failure mechanism that finally leads to longitudinal cover cracking. It enables to obtain better indications for the inner strain development in the later failure plane, showing the development of the bond resistance during loading. Although progress were made in the quality of analysis, it turned out that, a direct implementation of obtained bond laws is less successful to take care of the apparent problem of long embedment lengths. The description of that problem is essential within the crack width verification. Differently, a method is suggested to simulate a probable longitudinal splitting plane and its potential to resist an applied longitudinal load. In that method, the possible reaction of interlinked concrete tension rings around a steel bar is thought to form a growing global resistance with every added resistance ring in a sequential chain that are decreasingly loaded if the distance to the load application increases. The segmentation follows an approximation of the possibly development of local bond cracks acc. to Goto. In this, the application of the tension ring theory from Tepfers were successfully overtaken to the problem of long embedment lengths. It enables for simulations close to the original theory of tensile rings formed by concrete around the reinforcing steel. Comparing the results with MC 90, the simulation of long embedment lengths were performed using imaginary cylindrical test-specimen, enabling the verification of single and stabilized cracking. Simplified methods were developed in order to implement time-dependent influences like restraint from creep and shrinkage.An extensive evaluation of the normative methods (MC 90/ DIN 1045-1 and EN 1992-1-1) for verifications of a characteristic crack width stands at the end of the studies. A key position within the models is held by the realistic prognosis of the accountable crack distance. Using a newly compiled dataset and already existing data for comparison, the performances of current models were verified for predicting crack widths or distances. Complicated fields of its application could be marked and isolated. It was concluded that, the approaches for the determination of the effective reinforcement ratio and the bond stress should be improved. The developed alternative for calculation is assembled with an added safety feature and a variable minimum for the crack distance. It can lead to a more reliable prognosis for crack distances and the depending crack widths in order to design a more efficient reinforcement detailing. The requirements on the performance of a determined characteristic crack width wk are extended by the application of a criteria of effectiveness for the calculated crack distance srk. The reliability of the MC 90 -approach and the DIN-approach for minimum reinforcement has also been checked. Extensive compilations of data, examples and parameter studies are added to the appendix in order to backup the theoretical results and to invite others to compare. Two calculation flow charts and helptools are integrated to ensure the quality of crack width calculations also in cases where smaller crack widths must be verified, using informative and normative methods in MC 90/ DIN 1045-1.