Computational Structural Concrete - Theory and Applications

Beton ist aufgrund seiner Vorteile der mit Abstand meistverwendete Baustoff: er ist formbar, preiswert und überall verfügbar. Kombiniert mit Bewehrung bietet dies eine immense Bandbreite an Eigenschaften und kann für eine Vielzahl von Zwecken angepasst werden. Damit ist Beton der Baustoff des 20. Jahrhunderts. Um der Baustoff des 21. Jahrhunderts zu sein, muss seine Nachhaltigkeit in den Fokus rücken. Bewehrte Betonkonstruktionen müssen mit geringerem Materialaufwand konstruiert werden, wobei ihr Tragfähigkeitspotential optimal ausgeschöpft werden muss.
Computergestützte Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) bieten wesentliche Werkzeuge, um das Ziel zu erreichen. In Kombination mit experimenteller Validierung ermöglichen sie ein tieferes Verständnis der Tragmechanismen. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen kann eine realistischere Abschätzung der Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit erreicht werden. Dies ermöglicht eine deutlich verbesserte Ausnutzung der Baustoffe. Damit eröffnet sich auch ein weiterer Horizont für innovative Tragwerksentwürfe.
Anspruchsvolle numerische Rechenverfahren werden aber in der Regel als "Black Boxes" bereitgestellt. Daten werden eingegeben, die Ausgaben ungeprüft übernommen, aber das Verständnis für die dazwischenliegenden Schritte ist oft rudimentär. Dies birgt die Gefahr von Fehlinterpretationen, um nicht zu sagen ungültigen Ergebnissen im Vergleich zu den getroffenen Problemdefinitionen. Das Risiko ist insbesondere bei nichtlinearen Problemen hoch. Bewehrter Beton weist als Verbundmaterial in seinen Grenzzuständen ein nichtlineares Verhalten auf, verursacht durch Verbund und nichtlineare Eigenschaften seiner Bestandteile. Seine Rissbildung ist ein reguläres Verhalten. In diesem Buch werden die Mechanismen des bewehrten Betons unter dem Blickwinkel numerischer Methoden aufgezeigt. So sollen auch "Black Boxes" transparent werden.
Das Buch beschreibt entsprechende Methoden für Balken, Scheiben, Platten und Schalen im Rahmen von Quasi-Statik und Dynamik. Betonkriechen, Temperatureinwirkungen, Vorspannung, große Verformungen werden beispielhaft behandelt. Weiterhin werden aktuelle Materialmodelle für Beton dargestellt. Dabei werden sowohl die Möglichkeiten als auch die Fallstricke numerischer Methoden aufgezeigt. Die Theorie wird durch eine Vielzahl von Beispielen veranschaulicht. Die meisten von ihnen werden mit dem in Python implementierten und unter Open-Source-Bedingungen verfügbaren Softwarepaket ConFem durchgeführt.
(incl. ebook as PDF)

List of contents

Preface
List of Examples*
Notation
 
1 INTRODUCTION
 
2 FINITE ELEMENTS OVERVIEW
2.1 Modelling Basics
2.2 Discretisation Outline
2.3 Elements
2.4 Material Behavior
2.5 Weak Equilibrium
2.6 Spatial Discretisation
2.7 Numerical Integration
2.8 Equation Solution Methods
2.9 Discretisation Errors
 
3 UNIAXIAL REINFORCED CONCRETE BEHAVIOUR
3.1 Uniaxial Stress-Strain Behaviour of Concrete
3.2 Long-Term Behaviour - Creep and Imposed Strains
3.3 Reinforcing Steel Stress-Strain Behaviour
3.4 Bond between Concrete and Reinforcement
3.5 Smeared Crack Model
3.6 Reinforced Tension Bar
3.7 Tension Stiffening of Reinforced Bars
 
4 STRUCTURAL BEAMS AND FRAMES
4.1 Cross-Sectional Behaviour
4.2 Equilibrium of Beams
4.3 Finite Elements for Plane Beams
4.4 System Building and Solution
4.5 Creep of Concrete
4.6 Temperature and Shrinkage
4.7 Tension Stiffening
4.8 Prestressing
4.9 Large Displacements - Second-Order Analysis
4.10 Dynamics
 
5 STRUT-AND-TIE MODELS
5.1 Elastic Plate Solutions
5.2 Strut-and-Tie Modelling
5.3 Solution Methods for Trusses
5.4 Rigid Plastic Truss Models
5.5 Application Aspects
 
6 MULTI-AXIAL CONCRETE BEHAVIOUR
6.1 Basics
6.2 Continuum Mechanics
6.3 Isotropy, Linearity, and Orthotropy
6.4 Nonlinear Material Behaviour
6.5 Elasto-Plasticity
6.6 Damage
6.7 Damaged Elasto-Plasticity
6.8 The Microplane Model
6.9 General Requirements for Material Laws
 
7 CRACK MODELLING AND REGULARISATION
7.1 Basic Concepts of Crack Modelling
7.2 Mesh Dependency
7.3 Regularisation
7.4 Multi-Axial Smeared Crack Model
7.5 Gradient Methods
7.6 Overview of Discrete Crack Modelling
7.7 The Strong Discontinuity Approach
 
8 PLATES
8.1 Lower Bound Limit State Analysis
8.2 Cracked Concrete Modelling
8.3 Reinforcement and Bond
8.4 Integrated Reinforcement
8.5 Embedded Reinforcement with a Flexible Bond
 
9 SLABS
9.1 Classification
9.2 Cross-Sectional Behaviour
9.3 Equilibrium of Slabs
9.4 Reinforced Concrete Cross-Sections
9.5 Slab Elements
9.6 System Building and Solution Methods
9.7 Lower Bound Limit State Analysis
9.8 Nonlinear Kirchhoff Slabs
9.9 Upper Bound Limit State Analysis
 
10 SHELLS
10.1 Geometry and Displacements
10.2 Deformations
10.3 Shell Stresses and Material Laws
10.4 System Building
10.5 Slabs and Beams as a Special Case
10.6 Locking
10.7 Reinforced Concrete Shells
 
11 RANDOMNESS AND RELIABILITY
11.1 Uncertainty and Randomness
11.2 Failure Probability
11.3 Design and Safety Factors
 
12 CONCLUDING REMARKS
 
APPENDIX A SOLUTION METHODS
A.1 Nonlinear Algebraic Equations
A.2 Transient Analysis
A.3 Stiffness for Linear Concrete Compression
A.4 The Arc Length Method
 
APPENDIX B MATERIAL STABILITY
APPENDIX C CRACK WIDTH ESTIMATION
APPENDIX D TRANSFORMATIONS OF COORDINATE SYSTEMS
APPENDIX E REGRESSION ANALYSIS
 
References
Index
 
*LIST OF EXAMPLES
3.1 Tension bar with localisation
3.2 Tension bar with creep and imposed strains
3.3 Simple uniaxial smeared crack model
3.4 Reinforced concrete tension bar
4.1 Moment-curvature relations for given normal forces
4.2 Simple reinforced concrete (RC) beam
4.3 Creep deformations of RC beam
4.4 Effect of temperature actions on an RC beam
4.5 Effect of tension stiffening on an RC beam with external and temperature loading
4.6 Prestressed RC beam
4.7 Stability limit of cantilever column
4.8 Ultimate limit for RC cantilever column
4.9 Beam under impact load
5.1 Continuous interpolation of stress fields with the quad element
5.2 Deep beam with strut-and-tie model
5.3 Corbel with an elasto-plastic strut-and-tie model
6.1 Mises elasto-plastici

About the author

Ulrich Häussler-Combe studierte Bauingenieurwesen mit Vertiefung Konstruktiver Ingenieurbau an der TU Dortmund und promovierte an der TH Karlsruhe. Nach zehn Jahren Ingenieurpraxis und Programmentwicklung in der Industrie kehrte er zurück an die Universität Karlsruhe und lehrte dort CAD und Praktische Baudynamik. Im Jahr 2003 wurde er Universitätsprofessor für Spezielle Massivbauwerke am Institut für Massivbau der TU Dresden. Seit 2021 ist er im Ruhestand, dabei noch als Gastprofessor an der Technischen Universität München aktiv.

Summary

Beton ist aufgrund seiner Vorteile der mit Abstand meistverwendete Baustoff: er ist formbar, preiswert und überall verfügbar. Kombiniert mit Bewehrung bietet dies eine immense Bandbreite an Eigenschaften und kann für eine Vielzahl von Zwecken angepasst werden. Damit ist Beton der Baustoff des 20. Jahrhunderts. Um der Baustoff des 21. Jahrhunderts zu sein, muss seine Nachhaltigkeit in den Fokus rücken. Bewehrte Betonkonstruktionen müssen mit geringerem Materialaufwand konstruiert werden, wobei ihr Tragfähigkeitspotential optimal ausgeschöpft werden muss.
Computergestützte Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) bieten wesentliche Werkzeuge, um das Ziel zu erreichen. In Kombination mit experimenteller Validierung ermöglichen sie ein tieferes Verständnis der Tragmechanismen. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen kann eine realistischere Abschätzung der Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit erreicht werden. Dies ermöglicht eine deutlich verbesserte Ausnutzung der Baustoffe. Damit eröffnet sich auch ein weiterer Horizont für innovative Tragwerksentwürfe.
Anspruchsvolle numerische Rechenverfahren werden aber in der Regel als "Black Boxes" bereitgestellt. Daten werden eingegeben, die Ausgaben ungeprüft übernommen, aber das Verständnis für die dazwischenliegenden Schritte ist oft rudimentär. Dies birgt die Gefahr von Fehlinterpretationen, um nicht zu sagen ungültigen Ergebnissen im Vergleich zu den getroffenen Problemdefinitionen. Das Risiko ist insbesondere bei nichtlinearen Problemen hoch. Bewehrter Beton weist als Verbundmaterial in seinen Grenzzuständen ein nichtlineares Verhalten auf, verursacht durch Verbund und nichtlineare Eigenschaften seiner Bestandteile. Seine Rissbildung ist ein reguläres Verhalten. In diesem Buch werden die Mechanismen des bewehrten Betons unter dem Blickwinkel numerischer Methoden aufgezeigt. So sollen auch "Black Boxes" transparent werden.
Das Buch beschreibt entsprechende Methoden für Balken, Scheiben, Platten und Schalen im Rahmen von Quasi-Statik und Dynamik. Betonkriechen, Temperatureinwirkungen, Vorspannung, große Verformungen werden beispielhaft behandelt. Weiterhin werden aktuelle Materialmodelle für Beton dargestellt. Dabei werden sowohl die Möglichkeiten als auch die Fallstricke numerischer Methoden aufgezeigt. Die Theorie wird durch eine Vielzahl von Beispielen veranschaulicht. Die meisten von ihnen werden mit dem in Python implementierten und unter Open-Source-Bedingungen verfügbaren Softwarepaket ConFem durchgeführt.
(incl. ebook as PDF)

Product details

• Authors: Ulrich Häußler-Combe
• Publisher: Ernst & Sohn
• Languages: English
• Product format: Paperback / Softback
• Released: 01.10.2022
• EAN: 9783433300015
• ISBN: 978-3-433-30001-5
• No. of pages: 424
• Dimensions: 170 mm x 22 mm x 245 mm
• Weight: 850 g
• Illustrations: 161 SW-Abb., 11 Tabellen
• Subjects: Natural sciences, medicine, IT, technology > Technology > Structural and environmental engineering; Beton, Tragwerke, Baustatik, Betonbau, Bauingenieur- u. Bauwesen, Civil Engineering & Construction, Baustatik u. Baumechanik, Structural Theory & Structural Mechanics, Tief- u. Hochbau / Massivbau, Structures, Structural & Building Engineering