Bemessungsablauf und experimentelle Untersuchung von bautechnisch optimierten Trägern
Beton ist für einen erheblichen Anteil der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Um einen Beitrag in Richtung eines effizienteren Materialeinsatzes zu leisten, werden in der vorliegenden Dissertation Betonträger untersucht, deren Entwurf auf Ergebnissen einer Topologieoptimierung beruht. Einleitend werden für das Verständnis der Untersuchungen relevante Themen präsentiert, wie Grundlagen der Strukturoptimierung und Prinzipen der Nachhaltigkeitsbewertung. Neben dem Ausloten von Geometriefindungsstrategien ist ein Schwerpunkt auf die experimentelle Untersuchung von optimierten Betonträgern gelegt, resultierend aus einer zuvor identifizierten Forschungslücke. Vier Versuchsreihen wurden durchgeführt, bestehend aus Vorversuchen an 3D-gedruckten Trägern sowie den Versuchsreihen A–C an intern und extern bewehrten, gegossenen Trägern. Zusätzlich wurde eine nichtlineare Materialmodellierungsstrategie für Beton entwickelt, um eine Simulation der Versuche und somit den Optimierungsprozess zu unterstützen. Letztere ist universell einsetzbar, wobei nur die Würfeldruckfestigkeit bestimmt werden muss.
Strukturelle Besonderheiten von optimierten Trägern, etwa der Einfluss der Optimierungsstrategie auf das Tragverhalten sowie auftretende Umlenkkräfte in Knotenbereichen, werden diskutiert. Neuartige Bewehrungselemente wie laserstrahlgeschnittene Bügel finden Anwendung. Abschließend wird eine Vorgehensweise zur Bemessung topologieoptimierter Träger mittels gängiger Ingenieurwerkzeuge ausgearbeitet und auf Versuchsreihe C angewandt, welche anwendungsorientierte Träger mit vergrößerter Spannweite beinhaltet. Die Ergebnisse belegen die Machbarkeit des Entwurfs und der Ausführung topologieoptimierter Betonträger. Bei gleichzeitigem Erzielen eines duktilen Versagens wurde eine Leistungssteigerung von knapp 40 % im Vergleich zu einem vollen Referenzträger erzielt, gemessen am Quotienten von experimenteller Maximallast und dem Treibhauspotenzial der Produktionsphase der Materialien.
Pressmair, N.; Kromoser, B. (2023) A contribution to resource-efficient construction: Design flow and experimental investigation of structurally optimised concrete girders. Engineering Structures 281, 115757. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.115757