Doktoranden

Christoph HALL, Dr.-Ing.
Dissertation:
Methoden zur elastischen und plastischen Modellierung von scheibenartig beanspruchten Holztafeln


Jahr: 2012

Referenten:
Prof. Dr.-Ing. KESSEL, TU Braunschweig;
Prof. Dr.-Ing. KASAL, WKI und TU Braunschweig

Zusammenfassung:
Mit der vorliegenden Arbeit werden neue Wege aufgezeigt, elastische und plastische Grenzzustände von scheibenartig beanspruchten Holztafelkonstruktionen zu bestimmen. Die vorgestellten Methoden sind auf Wand-, Decken- und Dachtafeln anwendbar.

Nach einer kurzen Einführung in die Problematik der statischen Modellbildung wird auf die gegenwärtig zur Bemessung von Holztafelkonstruktionen angewandte Schubfeldmethode und deren Anwendungsgrenzen eingegangen. Im realen Tragwerk beteiligen sich z. B. auch Tragwerksteile an der Lastabtragung, die bei Anwendung der Schubfeldmethode vernachlässigt werden. Ferner können Holztafeln, die nicht vorwiegend als Schubfelder tragen, mit der Schubfeldmethode nur unzureichend modelliert werden. Daraus entstand die Motivation zur Entwicklung der beiden neuen Methoden, die hier vorgestellt werden. Dies sind die Fließverbundmethode und das Stab-Verbund-Modell.

Die Fließverbundmethode mit starren Rippen und starren Platten eignet sich für Handrechnungen und führt zu allgemeinen analytischen Lösungen für die Spannungen und Verformungen von Holztafelkonstruktionen. Auf Basis des mit dem Weggrößenverfahren bestimmten elastischen Grenzzustandes kann der plastische Grenzzustand dieser Tragwerke unter Berücksichtigung des duktilen Verbundes mit Interaktionsbeziehungen abgeschätzt werden.

Mit dem Stab-Verbund-Modell für Holztafeln können sowohl das linear elastische als auch das physikalisch nichtlineare Tragverhalten bis zum Erreichen der Traglast modelliert werden. Dies gelingt u. a. durch neu entwickelte Elemente, die sowohl die steife Rippe als auch ihren Verbund zur Beplankung gemeinsam modellieren. Das Stab-Verbund-Modell eignet sich für numerische Berechnungen und ist auf nahezu beliebige Problemstellungen im Holztafelbau, wie z. B. Tafeln mit freien Plattenrändern oder nicht orthogonalen Rippen, anwendbar.

pdf Dissertation.pdf [7,3 MB]

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Christian ARMBRECHT, Dr.-Ing.
Dissertation:
Simulationsbasierte Auslegung flexibler Fertigungssysteme
der Holz- und Möbelindustrie


Jahr: 2008

Referenten:
Prof. Dr.-Ing. HESSELBACH, TU Braunschweig;
Prof. Dr.-Ing. KESSEL, TU Braunschweig;
Dr.-Ing. HOFFMEISTER, TU Braunschweig

Zusammenfassung:
Bei der Bewertung der in den Simulationsexperimenten gewonnenen Ergebnisse ist die Motivation der Untersuchungen zu beachten. Auf der einen Seite erlaubt die entwickelte Simulationsumgebung die Optimierung bereits bestehender Fertigungsanlagen. In diesem Fall bietet es sich an, die vorhandenen Maschinensysteme weiterhin zu nutzen und so den Investitionsaufwand gering zu halten. Verbesserungen sind unter anderem durch eine veränderte Auftragsabwicklung möglich, indem auf die Trennung nach Wand- und Dach-/Deckentafeln verzichtet wird. Des Weiteren können mit Hilfe eines durchgängigen Transportsystems Wartezeiten und Umladevorgänge minimiert werden, wie am Beispiel der teilautomatisierten Fertigungszelle gezeigt. Die Automatisierung der Riegelwerksstation durch den Einsatz eines Roboters dient der weiteren Reduzierung der Fertigungszeiten. Als zusätzlicher Vorteil wird der Prozess der Riegelwerksfertigung von den Zimmermeistertischen auf die voran gestellte Automatikstation verlagert, so dass die Tische ausschließlich für die Tafelbearbeitung mit Hilfe der Multifunktionsbrücke genutzt werden können.

Auf der anderen Seite bietet die Simulationsumgebung die Möglichkeit, die Projektierung neuer Produktionsanlagen zu unterstützen. Aufgrund der Anbindung an das CAD/CAM-System können bereits im Planungsstadium der Fabrik die später zu fertigenden Gebäude simuliert werden. Da keine bestehenden Maschinensysteme berücksichtigt werden müssen, wird die Auswahl des Fertigungssystems vor allem von den geplanten Produktionsraten und dem Investitionsumfang bestimmt. Für mittlere bis hohe Stückzahlen empfiehlt sich auf Basis der Simulationsergebnisse eine Durchlauffertigung mit U-förmigem Materialfluss. Die Höhe des Automatisierungsgrades ist dabei variierbar und kann mit Hilfe der Simulation bedarfsgerecht ausgelegt werden. Beispielsweise kann die Montage von Installationsmaterial zunächst manuell erfolgen, um dann bei steigenden Stückzahlen durch automatisierte Prozesse ergänzt werden.

Dissertation erschienen im Vulkan-Verlag, Essen; ISBN 978-3-8027-8301-2

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Philippe HÖRSTING, Dr.-Ing.
Dissertation:
Zum Tragverhalten druck- und biegebeanspruchter Holzbauteile


Jahr: 2008

Referenten:
Prof. Dr.-Ing. KESSEL, TU Braunschweig;
Prof. Dr.-Ing. KUHLMANN, Universität Stuttgart

Zusammenfassung:
Das Tragverhalten von Bauteilen, die infolge einer äußeren Einwirkung durch Druck, Biegung oder einer Kombination von Druck und Biegung beansprucht werden, zeichnet sich dadurch aus, dass infolge einer Steigerung der Einwirkung die Materialbeanspruchungen und Verformungen selbst bei linear elastischem Materialverhalten überproportional (nichtlinear) anwachsen können. Das Phänomen dieses geometrisch nichtlinearen Tragverhaltens wird im Holzbau bei Druckstäben als Knicken, bei Biegstäben als Kippen und bei Stäben mit kombinierter Beanspruchung als Biegedrillknicken bezeichnet. Für den Holzbau werden für das Knicken und Kippen in der Normung vereinfachte Bemessungsverfahren angegeben. Für das Biegedrillknicken ist ein solches Verfahren nicht vorhanden. Stattdessen werden die Verfahren für das Knicken und das Kippen linear superponiert. In der Veröffentlichung von Kessel, Schönhoff und Hörsting 2005/06 werden die Untersuchungen der Traglasten, die nach den verschiedenen Bemessungsverfahren für das Knicken ermittelt werden können, dargestellt und beschrieben. Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung der Überprüfung des vereinfachten Bemessungsverfahrens für das Kippen und vor allem dessen Superposition mit dem vereinfachten Bemessungsverfahren für das Knicken zur Bemessung von biegedrillknickgefährdeten Bauteilen. Die Beanspruchungen von ausgewählten Biegestäben mit geometrisch nichtlinearem Tragverhalten werden unter Verwendung eines linearen Materialmodells theoretisch angegeben, indem die Lösungen der Stabilitäts- und Spannungsprobleme dieser Stäbe dargestellt werden. Zur Gegenüberstellung wird für die Beanspruchbarkeit von Holzquerschnitten durch Längskraft und zweiachsige Biegung ein neues Modell dargestellt, das sowohl das physikalisch nichtlineare Materialverhalten im Druckbereich als auch den Volumeneffekt im Zugbereich berücksichtigt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird ein neues Bemessungskonzept entwickelt, bei dem die geometrisch nichtlinear, materiell linear ermittelten Beanspruchungen den Beanspruchbarkeiten gegenüber gestellt werden, die vereinfachend das physikalisch nichtlineare Materialverhalten und den Volumeneffekt berücksichtigen. Unabhängig von diesen analytischen Untersuchungen werden die Grenzzustände von knick-, kipp- und biegdrillknickgefährdeten Stäben mit Hilfe von FEModellen überprüft, in die das physikalisch nichtlineare Materialverhalten im Druckbereich eingearbeitet wurde. Der Vergleich der Ergebnisse der verschiedenen Methoden zeigt, dass das neu entwickelte Bemessungskonzept einerseits zu Ergebnissen führt, die wirtschaftlich und sicher sind. Andererseits beruht es im Gegensatz zu den bekannten vereinfachten Bemessungsverfahren auf einheitlichen Grundlagen für das Knicken, Kippen und Biegdrillknicken, ist gut nachvollziehbar und es können Eingangsparameter, wie Größe und Art der Imperfektionen jederzeit den Erfordernissen angepasst werden. Darüber hinaus ist eine Bemessung nach dem vorgeschlagenen Konzept nicht aufwendiger oder komplizierter zu handhaben als die bekannten vereinfachten Bemessungsverfahren.

pdf Dissertation.pdf [4,2 MB]

Veröffentlichung erschienen im Bauingenieur 5/2008

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Marc SANDAU-WIETFELDT, Dr.-Ing.
Dissertation:
Entwicklung von Modellen zur Abschätzung der Tragfähigkeit von Holztafeln mit dünner, beulgefährdeter Beplankung


Jahr: 2007

Referenten:
Prof. Dr.-Ing. KESSEL, TU Braunschweig;
Prof. Dr.-Ing. BLASS, Universität Karlsruhe(TH)

Zusammenfassung:
Um ein statisches Modell für die Beschreibung von Holztafeln mit planmäßig beulender Beplankung unter scheibenartiger Beanspruchung zu finden, werden numerische und experimentelle Untersuchungen an Tafeln durchgeführt. Dabei wird zwischen Tafeln unterschieden, bei denen der Rippenabstand im Vergleich zur Plattendicke t klein genug ist, so dass die Zusatzbeanspruchungen der Beplankung aus den Imperfektionen als klein gelten können, und solchen, für die diese Zusatzbeanspruchungen nicht vernachlässigt werden können. Mit dem Vergleich dieser Untersuchungen werden die signifikanten mechanischen Eigenschaften von Tafeln mit planmäßig beulender Beplankung herausgearbeitet. Zudem wird detailliert aufgezeigt, welchen Einfluss die Verbindung der Rippen untereinander auf die Orientierung der Verbindungsmittelkräfte am Beplankungsrand hat. Durch diese Untersuchungen kann gezeigt werden, dass die Bemessung von scheibenartig beanspruchten Holztafeln mit dünner, beulgefährdeter Beplankung nach der Schubfeldtheorie geführt werden darf. Die gelenkige Verbindung der Rippen untereinander ist nicht erforderlich, um im gebeulten Zustand statisches Gleichgewicht in der Tafel zu erzeugen. Im gebeulten Zustand der Beplankung entstehen an deren Rändern Druckgurte, so dass die Verbindungsmittel parallel zum Beplankungsrand beansprucht werden. Als ein Ergebnis der experimentellen Untersuchungen werden Konstruktionsregeln definiert, die eine ausreichend tragfähige und duktile Verbindung der Rippen mit der Beplankung über stiftförmige Verbindungsmittel sicherstellen, so dass die plastischen Tragreserven der Tafel aktiviert werden können. Ein Biegebruch der Beplankung kann auf Grund der hier definierten Verbindungsmittelabstände ausgeschlossen werden, weil die Beanspruchbarkeit der Tafel durch die Tragfähigkeit der Verbindungsmittel begrenzt wird. Diese Konstruktionsregeln sind einzuhalten, wenn Tafeln mit beulender Beplankung nach der Schubfeldmethode bemessen werden.

pdf Dissertation.pdf [14,7 MB]

Veröffentlichung erschienen im Bauingenieur 10/2008

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Thorsten ZUR KAMMER, Dr.-Ing.
Dissertation:
Zum räumlichen Tragverhalten mehrgeschossiger Gebäude in Holztafelbauart


Jahr: 2006

Referenten:
Prof. Dr.-Ing. KESSEL, TU Braunschweig;
Prof. Dr.-Ing. PEIL, TU Braunschweig

Zusammenfassung:
Das Aussteifungssystem eines Gebäudes in Holztafelbauart besteht aus Dach-, Decken- und Wandtafeln, die über ihre umlaufenden Randrippen miteinander verbunden sind. Für eine einfache Bestimmung der Beanspruchungen des Aussteifungssystems wird zur Zeit das räumliche Tragsystem auf ebene Teil- oder Ersatzsysteme reduziert, ohne insbesondere für mehrgeschossige Gebäude eine Aussage darüber machen zu können, welchen Fehler diese Vereinfachungen beinhalten. Gegenstand dieser Arbeit ist die Beschreibung des räumlichen Tragverhaltens von mehrgeschossigen Aussteifungssystemen im Holztafelbau unter Berücksichtigung der Schubsteifigkeit der Wandtafeln, der Auflagersteifigkeiten und der direkten Verbindungen der Wandtafeln an ihren vertikalen Berührungskanten. Um die wesentlichen Effekte des räumlichen Tragverhaltens erkennen und analysieren zu können, wird das komplexe Tragverhalten einer Wandtafel mit Hilfe eines linearen Scheibenelements modelliert, welches die Verformung einer Wandtafel in guter Näherung abbildet und an dem die bemessungsrelevanten Beanspruchungen leicht ablesbar sind. Für eingeschossige Aussteifungssysteme wird ausgehend von den bisherigen Berechnungsverfahren des Holztafelbaus und der Biege- und Torsionstheorie des Stabes, ein Berechnungsverfahren entwickelt, mit dem die Schub- und Auflagersteifigkeiten und die direkten Verbindungen der Wandtafeln berücksichtigt werden können. Die Untersuchungen von zweigeschossigen Aussteifungssystemen mit Hilfe des Scheibenelements ergaben, dass das Tragverhalten eines mehrgeschossigen Gebäudes nur in Ausnahmefällen geschossweise entkoppelt betrachtet werden darf und damit die bisherigen Verfahren im Holztafelbau und auch das hier entwickelte Verfahren nur bedingt anwendbar sind. Außerdem haben vertikale Einwirkungen einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die horizontale Beanspruchung der einzelnen Wandtafel.

pdf Dissertation.pdf [1,3 MB]

Veröffentlichung erschienen im Bauingenieur 5/2005

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Olaf DETTMANN, Dr.-Ing.
Dissertation:
Entwicklung von Modellen zur Abschätzung der Steifigkeit und Tragfähigkeit von Holztafeln


Jahr: 2003

Referenten:
Prof. Dr.-Ing. KESSEL, TU Braunschweig;
Prof. Dr.-Ing. HALLER, TU Dresden

Zusammenfassung:
Wohn- und Geschäftsgebäude werden überwiegend durch vertikale Einwirkungen wie Eigengewicht, Verkehrs- und Schneelast beansprucht. Horizontale Einwirkungen resultieren im Wesentlichen aus Wind, Erdbeben und Aussteifungslasten. Dach-, Decken-, und Wandbauteile müssen dabei ein räumliches Tragsystem bilden, welches die horizontalen Kräfte in die Fundamente und damit in den Baugrund ableitet. Die aussteifenden Teilsysteme können Scheiben, Rahmen oder Verbände sein, die in Material und Form variieren können. Diese Arbeit befasst sich mit Scheiben in Holzbauart und hier speziell der Holztafelbauart. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, welchen Einfluss die Wahl des statischen Modells und der Konstruktionsparameter, wie z.B. die Tafelform, der VM-Abstand und die Rippensteifigkeit, auf die Beanspruchungen und Verformungen eines Holztafelelements besitzen. Die Variation der Form beinhaltet den kontinuierlichen Übergang vom Rechteck über das Trapez bis hin zum Dreieck. Bei der Parameterstudie wurde ein in dieser Arbeit hergeleitetes Kopplungselement eingesetzt, welches zu einer erheblichen Reduzierung von Freiheitsgraden bei der Berechnung des FE-Modells führt. Die Untersuchungen zeigen u.a., dass schon bei Annahme steifer statt starrer Rippen alle rechteckförmigen Modelle mit und ohne direkter Rippenverbindungen annähernd das Tragverhalten entsprechend einem statisch bestimmten Schubfeldmodell aufweisen.

pdf Dissertation.pdf [11,3 MB]

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André MERTINASCHK, Dr.-Ing.
Dissertation:
Geometrisch nichtlineare Berechnungen von räumlichen Stabwerken mit Imperfektionen


Jahr: 2002

Referenten:
Prof. Dr.-Ing. KESSEL, TU Braunschweig;
Prof. Dr.-Ing. DINKLER, TU Braunschweig

Zusammenfassung:
Nach einer Einführung in die Grundlagen der Kontinuumsmechanik, bei der besonders auf die Darstellung der unterschiedlichen Konfigurationen und der zugehörigen Abbildungen eingegangen wird, erfolgt die Reduktion auf ein einparametriges Cosserat-Kontinuum. Dann werden die linearisierten Gleichungen einer allgemeinen Stabtheorie angegeben. Zur anschaulichen Darstellung der im Ingenieurwesen bekannten Theorien wird das Verhalten einfacher Stabwerke im überkritischen Bereich untersucht. Ausgehend vom elastischen Potential werden die zur Beschreibung der Gleichgewichtslagen erforderlichen Variationen aufgeführt. Nach der Beschreibung der verwendeten finiten Elemente werden die Methoden zur Eigenwertanalyse und zur nichtlinearen Berechnung angegeben. Anschließend werden die Ergebnisse einer statistischen Untersuchung zur Ermittlung der geometrischen Imperfektionen an schlanken Stabtragwerken präsentiert. Dabei sind neben der Definition der globalen und lokalen Imperfektionen die Verteilungshypothese und Bemessungsvorschläge für die Praxis Gegenstand der Betrachtungen. Als Anwendung auf Satteldachbinder werden die Ergebnisse von Eigenwertanalysen und geometrisch nichtlinearen Berechnungen für verschiedene Stabwerke angegeben. Ziel dieser Untersuchungen ist die Ermittlung von Ersatzlastgruppen zur einfachen linearen Abschätzung des nichtlinearen Tragverhaltens geometrisch imperfekter räumlicher Stabwerke. Die für die Berechnung der Ersatzlastgruppen erforderlichen Eingangsgrößen sind Bestandteil linearer Stabwerksbemessungen oder werden in Gleichungen zur Verfügung gestellt.

pdf Dissertation.pdf [2,5 MB]

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