Optimierungsgestützter Entwurf von Stahlbetonbauteilen am Beispiel von Tunnelschalen

In dieser Arbeit wird ein Optimierungskonzept für einen verbesserten Entwurf von Stahlbetonbauteilen am Beispiel der Querkraftübertragung in der Ringfuge der Tunnelschale erarbeitet. Ausgangspunkt ist eine ganzheitliche Analyse des Tragsystems der Tunnelschale, die neben dem Endzustand auch zwischenzeitliche Bauzustände einschließt. Zu diesem Zweck werden geeignete parametrisierte numerische Bettungsmodelle mit Zugfederausfall sowie iterativer Drehfederberechnung in den Tunnellängsfugen entwickelt, durch Vergleichsrechnungen untereinander sowie in Gegenüberstellung zu analytischen Lösungen verifiziert und erweitert. Für den Endzustand werden mittels Sensitivitätsanalysen zentrale Modellierungsparameter identifiziert. Die Analyse der Bauzustände charakterisiert die Querkraftkopplung in der Ringfuge als kritischen Beanspruchungsort, für den mit Strukturoptimierungsmethoden ein verbesserter Entwurf gefunden wird. Neben der Formoptimierung wird im Wesentlichen die Topologieoptimierung verwendet, deren Ergebnis sich durch einen sichtbar gemachten Kraftfluss auszeichnet und direkt in bemessbare Fachwerkmodelle überführt werden kann. Grundlagen und Steuerungsparameter der Methode werden systematisch analysiert und anwendungsorientiert aufbereitet. Topologie- und Formoptimierung werden schließlich für den Entwurf verbesserter Ringkopplungskonzepte genutzt, die in variantenreichen experimentellen Serien getestet werden. Geometrievariationen in Kombination mit verschiedenartigen Bewehrungskonzepten für das klassische System Topf-Nocke werden analysiert und bewertet. Eine verbesserte Alternative für ein duktileres und robusteres Bauteiltragverhalten wird letztlich über einbetonierte Stahlscherbolzen mit definiertem Lastabtrag und optimierungsgestütztem Entwurf gefunden.