CCC - Fachbereich Bauingenieurwesen

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Dipl.-Ing. (FH) Denis Busch, M.Sc.

Fachgebiete: Mathematik und Massivbau

 

Lehre:

  • Seminare und Repititorien zur Vorlesung Mathematik 1 und 2
  • Repititorien Massivbau 1, 2, 3 und Spannbetonbau
  • Übungen Computerorientierte Methoden im Massivbau
  • Projektseminar Massivbau

 

Forschungsprojekt:

  • Optimierung der Hohlkörperform für zweiachsig gespannte Decken

PROBLEMSTELLUNG

Zweiachsig gespannte Hohlkörperdecken sind Flachdecken, bei denen die Hohlkörper zwischen der oberen und unteren Bewehrungslage eingebaut werden, um Beton an den Stellen in der Decke einzusparen, an denen er für die Biegetragfähigkeit nicht zwingend benötigt wird. Hierdurch ergeben sich statische und wirtschaftliche Vorteile. Das marktführende Unternehmen Cobiax Technologies AG benutzt zur Zeit kugelförmige und ellipsoidförmige Hohlkörpervarianten. Bei den verwendeten Hohlkörpern liegt die Querkrafttragfähigkeit laut bauaufsichtlicher Zulassungen bei ca. 50% der Querkrafttragfähigkeit einer Massivdecke. Im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Hochschule Bochum werden Hohlkörperformen gesucht, die bei gleicher Betonvolumenverdrängung eine höhere Querkrafttragfähigkeit aufweisen.

 

DIGITALE ERZEUGUNG DER HOHLKÖRPERFORMEN

Die Hohlkörper werden mit dem Programm „Bubble Generator“ der Firma IMPULLSS Software Solutions erstellt. In der vorliegenden Version lassen sich verschiedenste rotationssymmetrische Hohlkörperformen erstellen, die den unten dargestellten Randbedingungen folgen. Die Hohlkörperform entsteht, indem die unten dargestellte Querschnittsform um eine Achse rotiert wird. Diese Achse liegt entweder in der Symmetrieachse oder außerhalb des Querschnitts. Im zweiten Fall entsteht ein torusförmiger Hohlkörper.

mögliche Variationsparameter für die Erzeugung der Hohlkörper

mögliche Hohlkörperformen

 

BERECHNUNG DER QUERKRAFTTRAGFÄHIGKEIT

Zur Bewertung der Fitness (Güte) einer Hohlkörperform werden für die multikriterielle Optimierung die zwei Fitnessfunktionen „Querkraft-tragfähigkeitsreduktion“ und „verbleibendes Betonvolumen“ benötigt. Die Querkrafttragfähigkeit wird mit der FEM-Sofware „DIANA“ der Firma TNO in einer realitätsnahen, nichtlinearen FEM- Berechnung ermittelt.

Darstellung der Hauptdruckspannungen in einem FE-Modell

 

MULTIKRITERIELLE GENETISCHE OPTIMIERUNG

Die Hohlkörper werden mit Ihren Zielfunktionswerten in ein kartesisches Koordinatensystem eingetragen. Es ergeben sich hierbei Pareto-optimale Lösungen. Als Pareto-optimal wird ein Individuum dann bezeichnet, wenn es nicht möglich ist, es bezüglich eines Kriteriums zu verbessern, ohne es gleichzeitig bezüglich eines anderen Kriteriums zu verschlechtern. Aus diesen Hohlkörpern einer Generation werden mit Hilfe der Optimierungsoperatoren „Rekombination“ und „Mutation“ Nachkommen (= Hohlkörper der nächsten Generation) erzeugt. Somit ergeben sich von Generation zu Generation verbesserte Hohlkörperformen. Zur Optimierung wird das Programm „Artificial Breeds“ der Firma IMPULLSS Software Solution verwendet.

Paretofront einer Ausgangspopulation

Aus den Pareto-optimalen Lösungen wurden die praxistauglichsten Hohlkörperformen ausgewählt. Die kegelstumpfförmigen Hohlkörper wurden im Bauteilversuch geprüft um die guten Ergebnisse hinsichtlich der Querkrafttragfähigkeit zu bestätigen.

ausgewählte Hohlkörperformen

 

VERSUCHSPROGRAMM

Das Versuchsprogramm umfasst 24 Bauteilversuche bestehend aus 4 Serien mit jeweils 6 Versuchen. In jeder Serie wurden 3 Plattenstreifen mit der zugehörigen Hohlkörpervariante und 3 massive Plattenstreifen als Referenzversuche hinsichtlich ihrer Querkrafttragfähigkeit untersucht. In der ersten Versuchsserie wurden die bauaufsichtlich zugelassenen und in der Praxis bereits eingesetzten Hohlkörper der Serie „Slim-Line“ (Fa. Cobiax) getestet. Serie 2 bis 4 sind Plattenstreifen mit kegelstumpfförmigen Hohlkörpern, die in alternierender Weise angeordnet sind. In Serie 2 und 3 wurden Hohlkörper mit um 30° geneigten Seitenflächen, CONE30, eingebaut. Der Unterschied bei diesen beiden Serien ist, dass die Hohlkörper der Serie 3 im Vergleich zu Serie 2 um 180° gedreht liegen. Die Alternierung beginnt in einem Fall mit dem ersten Hohlkörper am Auflager mit der „Spitze“ nach oben und im anderen Fall mit der „Spitze“ nach unten. In der vierten Serie werden die Hohlkörper CONE35 mit 35° geneigten Seitenflächen getestet.

verwendete Hohlkörperformen

 

VERSUCHSAUFBAU

Die Versuche waren einachsig gespannte 3-Punkt-Biegeversuche. Die Hohlkörper sowie auch die Plattenstreifen wurden im Maßstab 1:2 hergestellt. Die Lasteinleitung erfolgte mittig. Die Verankerung der Längsbewehrung erfolgte über Winkelhaken, die hinter den Auflagerpunkten liegen. Die Schubschlankheit a/d wurde bei allen Versuchskörpern so gewählt, dass im Grenzzustand der Tragfähigkeit ein Querkraftversagen eintritt.

Versuchsaufbau

 

VERSUCHSDURCHFÜHRUNG

Gebrauchslast Querkraft:

In 10 Lastzyklen wurden die Versuchskörper bis auf das Gebrauchslastniveau be- und entlastet. Nach Durchlauf aller 10 Lastzyklen wurden die Risse am Bauteil gekennzeichnet.

Traglast Querkraft:

Anschließend wurden die Versuchskörper inkrementell auf das Traglastniveau belastet. Auf jeder Laststufe wurden die Risse an den Versuchskörpern mit Angabe der Belastung gekennzeichnet und die Rissbreiten gemessen und dokumentiert.

Versuchskörper mit gekennzeichneten Rissen

 

VERSUCHSERGEBNISSE

Bei allen 24 Versuchskörpern bildete das Querkraftversagen den Grenzzustand der Tragfähigkeit. Die erzielten Querkrafttragfähigkeiten bestätigten die Ergebnisse der vorab durchgeführten FE-Berechnungen. Die Optimierung der Hohlkörperform zur Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit war somit erfolgreich.

Kraftverformungsdiagramm
Versuchsergebnisse

 

ehemalige Forschungsprojekte:

  • Mitarbeiter im Kooperationsprojekt: "Entwicklung eines ressourcenschonenden Leichtbauverfahrens für hohlkörpergestützte Betondecken von 20 bis 35 cm Deckenstärke."

 

Lehrpreis:

2010, 2013, 2014, 2016, 2017 und 2018 für den Lehrpreis der Hochschule Bochum vorgeschlagen und dabei im Auswahlverfahren die Endrunde erreicht.

 

Evaluationsergebnisse:

 

PDF-Dokument

Datum: 16.03.2017 Größe: 34 KB

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Datum: 29.08.2016 Größe: 34 KB

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Datum: 21.03.2016 Größe: 34 KB

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Datum: 23.09.2015 Größe: 34 KB

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Datum: 4.03.2015 Größe: 34 KB

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Datum: 4.03.2015 Größe: 34 KB

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Datum: 4.03.2015 Größe: 34 KB

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Datum: 14.06.2013 Größe: 41 KB

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Datum: 24.06.2013 Größe: 34 KB

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Datum: 17.04.2013 Größe: 42 KB

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Datum: 17.04.2013 Größe: 42 KB

 

betreute Diplom- Bachelor- und Masterarbeiten:

 

Diplomarbeiten

  • Statische Berechnung und Bemessung eines Büro Gebäudes mit Massenermittlung und Kalkulation der Materialkosten (2010)

 

Bachelorarbeiten

  • Beurteilung der Auswirkungen ausgewählter Regelungen gemäß EC 2 im Vergleich zu DIN 1045-1 (2011)
  • Lokale Durchstanzberechnung zweiachsiger Hohlkörper-Decken (2011)
  • Ermittlung der Bruchenergie von Betonbauteilen (2011)
  • Parameterstudie und Untersuchung des Einflusses der Bewehrungslage von zweiachsig gespannten Hohlkörperdecken (2012)
  • Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbeton-Hohlkörperdecken anhand von linearen FEM-Simulationen (2013)
  • Wirklichkeitsnahe FEM-Simulation von Bauteilen aus mikrobewehrtem Hochleistungsbeton (2014)
  • Optimierung von kegelstumpf- und zylinderförmigen Hohlkörpern für den Einsatz in zweiachsig gespannten Stahlbetondecken (2015)

 

Masterarbeiten

  • Untersuchungen zur Berücksichtigung der Zwangkräfte von Hochbaudecken bei der Bemessung der Aussteifungskerne (2011)
  • Verformungsberechnungen von Stahlbetonplatten mit Hilfe von Finite-Elemente-Methode-Programmen (2011)
  • Untersuchungen zum Konvergenzverhalten nichtlinearer FEM-Berechnungen von Massiv- und Hohlkörperdecken (2012)
  • Genetische Optimierung der Hohlkörperform für zweiachsig Hohlkörperdecken (2012)
  • Parametervariation für vorgespannte Stahlbetonflachdecken mit Spanngliedern in freier Spanngliedlage (2013)
  • Nichtlineare FE-Simulation zum lokalen Durchstanzen zweiachsiger Hohlkörperdecken (2013)
  • Optimierung der Hohlkörperform für zweiachsig gespannte Stahlbetonplatten (2013)
  • Mehrkriterielle Optimierung der Hohlkörperform für zweiachsig gespannte Hohlkörperdecken (2013)
  • Stahlbetonträger mit Stegdurchbrüchen (2014)
  • Multikriterielle Optimierung der Hohlkörperform für zweiachsig gespannte Hohlkörperdecken (2014)
  • Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Querkrafttragfähigkeit von zweiachsig gespannten Decken mit neuartigen Hohlkörpern (2015)
  • FEM-Analyse von nicht querkraftbewehrten Stahlbetonbauteilen mit rotationssymmetrischen Hohlkörpern (2015)

Zusätzliche Information

Denis Busch

Dipl.-Ing. (FH) Denis Busch, M.Sc.

Raum: A 2-05
Hochschule Bochum
Lennershofstraße 140
44801 Bochum
Tel.: +49 234 3210212
denis.busch@hs-bochum....
Sprechstunde: 
Wenn Sie einen Sprechstundentermin wünschen melden Sie sich bitte unter denis.busch@hs-bochum.de