A numerical model for roof detailing of cold‐formed purlin‐sheeting systems

Ein numerisches Modell zur Detailausbildung von Dachsystemen aus kaltgeformten Pfetten mit Blecheindeckung. In den aktuellen Regelwerken werden unterschiedliche Methoden vorgeschlagen, wie die Details von geschraubten Dachsystemen ausgeführt werden können, die aus kaltgeformten Pfetten mit einer Blecheindeckung bestehen. Die gesamte Verankerungskraft des Daches und die lokalen Kräfte in den Verbindungsmitteln werden mit dem Ziel ermittelt, die Detailausbildung der Auflagerung und der Verbindung zwischen Pfette und Dachblech zu bemessen. Hierfür werden die Faktoren “R” und “r” eingeführt, um die Stabilisierungskräfte zu beschreiben, die an den Auflagern und den Halterungen im Feld erforderlich sind. Die beiden Faktoren sind bereits in einigen Regelwerken des Stahlbaus enthalten. Hier soll dargestellt werden, dass diese Faktoren aber auch mit Hilfe eines vereinfachten Finite‐Element‐Modells des gesamten Dachsystems direkt berechnet werden können. Ein Vergleich mit anderen vorhandenen Näherungslösungen wird durchgeführt, um zu zeigen, dass das vorgeschlagene Modell ein äußerst hilfreiches Werkzeug für den Entwurf und den Nachweis der tragenden Bauteile ist. Es kann weiterhin gezeigt werden, dass das beschriebene Vorgehen der Berechnung allgemein gültig ist und an neuartige Dachsysteme, die in den aktuellen Regelwerken noch nicht berücksichtigt sind, einfach angepasst werden kann. Damit kann zum Beispiel die Lücke in Eurocode 3, Teil 1‐3, Abschnitt 10, ausgefüllt werden, da das Vorgehen im Gegensatz zu den Annahmen des Eurocode, der eine volle seitliche Halterung voraussetzt, eine elastische seitliche Halterung berücksichtigen kann.     

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Fasern verstärktem Stahlbeton am Beispiel ultrahochfesten Betons

Wegen des Problems möglicher Inhomogenitäten der Faserverteilung/‐ orientierung ist der Einsatz von Fasern als alleinige Bewehrung im konstruktiven Ingenieurbau auf wenige Anwendungsgebiete beschränkt (z. B. Aufnahme von Zwangbeanspruchungen). Unter Zugbeanspruchung lässt sich zudem mit den in der Praxis für normalfeste Betone gebräuchlichen Fasergehalten nach der Erstrissbildung kaum ein verfestigendes Verhalten erzielen. Kombiniert man jedoch Stabstahlbewehrung und Faserbewehrung zu einem stahlfaserverstärkten Stahlbeton, so addieren sich die Vorteile beider Verbundwerkstoffe gleichermaßen. Besonders bei erhöhten Anforderungen an die Rissbreite (Größenordnung: unter 0, 1 mm) kann durch gemischte Bewehrung aus Stabstahl und Fasern eine wesentliche Verbesserung gegenüber Stahlbeton erzielt werden. Im Teil 1 dieses Beitrags wurden die für das Verständnis der unterschiedlichen Wirkungsweisen der beiden Bewehrungselemente “Stabstahl” und “Fasern” erforderlichen mechanischen Zusammenhänge dargestellt. Im Teil 2 erfolgt eine Überprüfung der abgeleiteten Beziehungen anhand experimenteller Untersuchungen an gemischt bewehrten Zugelementen aus ultrahochfestem Beton (UHPC). Für UHPC erreicht die Thematik besondere Aktualität, da aus Gründen der Duktilität der Einsatz von Fasen bei diesen Betonen die Regel ist. Der Nachweis der Begrenzung der Rissbreite bei kombinierter Bewehrung wird zudem an zwei Rechenbeispielen veranschaulicht. Crack Formation and Tensile Behaviour of Concrete Members Reinforced with Rebars and Fibres exemplified by Ultra‐High‐Performance Concrete. Part 2: Experimental Investigations and Examples of Application Due to the problem of possible inhomogeneities of fibre distribution/orientation the use of fibres as sole reinforcement is limited in engineering practice to few applications (e. g. coverage of stresses due to constraints). In addition, it is hardly possible to obtain strain hardening after first crack formation with fibre contents commonly used for normal strength concretes. However, if steel fibre reinforcement is used in combination with bar reinforcement, the advantages of both components are additive in the composite material. Especially for enhanced requirements concerning the crack width (order of magnitude: 0.1 mm), with combined reinforcement of rebars and fibres an essential improvement compared to reinforced concrete can be achieved. In part 1 of this contribution the mechanical relationships required for the understanding of the different behaviours of the two reinforcing elements “rebars” and “fibres” have been presented. In part 2 the derived relationships are validated on the basis of experimental investigations on tensile members with combined reinforcement made of ultra‐high‐performance concrete (UHPC). For UHPC the topic is of special interest, because fibres are added to these concretes generally to improve ductility. The crack width control with combined reinforcement is furthermore illustrated by means of two examples.     

Tragverhalten von Verbundbauteilen aus bewehrtem UHFB und Stahlbeton

Ultra‐Hochleistungs‐Faserbetone (UHFB) eignen sich aufgrund ihrer hohen Festigkeiten, des hohen Verformungsvermögens und der geringen Permeabilität zur Verbesserung und Instandsetzung bestehender Betonbauten. Mit dünnen Schichten von bewehrtem UHFB, die auf bestehende Stahlbetonbauteile aufgetragen werden, können der Tragwiderstand und die Gebrauchstauglichkeit deutlich gesteigert werden. In einer umfangreichen Versuchsreihe wurden die Eigenschaften von mit zusätzlich zu den Fasern auch mit Stabstahl bewehrtem UHFB untersucht. Die Bewehrung des UHFB mit Stabstählen ist vorteilhaft, um den Verfestigungsbereich des UHFB zu erweitern, seinen Tragwiderstand zu erhöhen und die Streuung seiner mechanischen Eigenschaften zu reduzieren. Zur Bewehrung können hoch‐ oder niederfeste Stähle mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen zum Einsatz kommen. Abschließend werden zwei Anwendungen vorgestellt. Structural Behaviour of Composite Elements Combining Reinforced Ultra‐High Performance Fibre‐Reinforced Concrete (UHPFRC) and Reinforced Concrete Due to their high strengths, high deformability and low permeability Ultra‐High Performance Fibre‐Reinforced Concretes (UHPFRC) are suitable for the improvement and rehabilitation of existing concrete structures. Thin layers of reinforced UHPFRC that are applied to existing concrete members, increase both the load bearing capacity and the serviceability. By comprehensive experimental studies the behaviour of UHPFRC with additional bar reinforcement was investigated. The reinforcement of UHPFRC is advantageous in order to increase the strain hardening capacity of UHPFRC, its load bearing capacity and to reduce the scatter of its mechanical properties. Low or high strength steel grades with various surface characteristics can be used as reinforcement of UHPFRC. Finally two on site applications are presented.     

Versuche zur Tragfähigkeit von Ankerplatten mit einbetonierten Kopfbolzendübeln in schmalen Stahlbetonstützen

Müssen große Lasten von Stahl‐ in Betonbauteile eingebracht werden, sind Ankerplattendetails mit aufgeschweißten Kopfbolzendübeln oft praktikable Lösungen. Dies gilt auch für die Befestigung von Stahlträgern an Stützen aus Stahlbeton. Hier können die Ankerplatten z. B. bauseits an der Schalung befestigt und mit dem Ortbeton einbetoniert werden. Die Dimensionierung dieser Einbauteile kann, wie auch die Berechnung von nachträglich installierten Befestigungsmitteln, derzeit nach Europäischen Technischen Zulassungen (ETA) erfolgen. Im Unterschied zu nachträglich installierten Befestigungen ist für die Ankerplatte mit einbetonierten Kopfbolzendübeln eine rechnerische Nutzung der Tragfähigkeit der Bewehrung möglich. Allerdings führen die diesbezüglichen Regelungen – im Vergleich zu den in den Versuchen ermittelten Tragfähigkeiten – rechnerisch zu stark eingeschränkten Tragfähigkeiten. Dies beruht einerseits auf der Reduktion der Tragfähigkeit wegen geringer Randabstände und andererseits auf der stark eingeschränkten Nutzbarkeit der Bewehrung. Im folgenden Beitrag werden Versuchsergebnisse vorgestellt, welche den Einfluss der Betondruckfestigkeit, der Verankerungslänge, der Lastexzentrizität sowie der Bewehrungsmenge und ‐position auf das Versagensgeschehen und die Tragfähigkeit zeigen. Results of Experimental Investigations on the Load‐Bearing Capacity of Steel Anchor Plates with in Concrete Encased Headed Studs in Reinforced Narrow Concrete Columns Anchor plates with welded shear studs are often used to transfer high loads from steel to reinforced concrete elements. This is for example the case for the fixation of steel beams to reinforced concrete columns. The anchor plates are fixed on site on the formwork and cast in‐place in the concrete. The design is calculated according to European Technical Approvals like the design of post‐installed anchors. In contrast to post‐installed fastenings, the utilisation of the reinforcement of in concrete encased headed studs is theoretically possible. But the regulations of the ETAs lead to great reductions in the analysed load‐bearing capacities compared to the capacities, obtained in tests. These tests have been conducted to investigate the load bearing behaviour and failure modes of anchor plates, especially in narrow reinforced concrete columns. In the following article the results of the experimental investigations are presented, which show the influence of concrete compression strength, shear stud length, load eccentricity as well as amount and position of reinforcement.     

Kollisionssicherheit von Offshore‐Windenergieanlagen

Die Bundesrepublik Deutschland ist als rohstoffarmes Land in besonderer Weise auf die Einfuhr von Energieträgern angewiesen. Dies führt zu einer starken Abhängigkeit von den Liefernationen. Daher werden erneuerbare Energiequellen wie Wind‐, Solar‐ und Wasserkraft seit einigen Jahren stark subventioniert, um einen Teil des Energiebedarfs aus diesen decken zu können. Die Erzeugung von Strom aus Wind hat sich als eine sowohl ökonomisch als auch ökologisch sinnvolle Variante herausgestellt. Durch den massiven Ausbau der Windenergie sind heute fast alle möglichen Standorte an Land besiedelt. Die Entwicklung von immer leistungsfähigeren Windenergieanlagen (WEA) erlaubt es nun, die weitaus höheren Windgeschwindigkeiten auf hoher See zu nutzen. Im Bereich der deutschen Nord‐ und Ostsee sind einige Offshore‐Windparks geplant, die an Gebiete mit sehr regem Schiffsverkehr grenzen. Nach § 3 SeeAnlV ist nachzuweisen, dass ein Windpark die Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs sowie die Meeresumwelt nicht gefährdet. Collision safety of offshore wind turbines. Germany, as a country with few natural resources relies on the import of energy sources. This leads to a strong dependence on the supplier nations. Therefore, renewable energy sources like wind, solar, or waterpower are heavily subsidized, to cover a part of the required energy. To generate energy from wind is an economic an ecologic useful procedure. By the massive expansion of the wind energy you will find wind turbines nearly in any part of the country. Due to the development of more powerful wind turbines it is possible to set them up offshore. In some areas next to high shipping traffic in the German North and Baltic Sea, wind energy farms are in planning. According to Clause 3 SeeAnlV it is to demonstrate, that a wind energy farm will not endanger the security and waftability of the shipping traffic and the marine environment.     

Durchstanzen von Flachdecken bei hohen Stützenlasten

Sollen Hochbauten eine flexible Raumnutzung erlauben, stellen Systeme aus Stahlbeton‐Flachdecken und Stützen eine wirtschaftliche und effiziente Lösung dar. Die Stützen dieser Bauten werden häufig aus hochfestem Beton vorfabriziert und stark bewehrt, um hohe Normalkräfte mit minimalen Querschnitten aufnehmen zu können. Der oft aus normalfestem Beton bestehende Deckenteil, der zwischen den übereinanderstehenden Stützen liegt, wird dabei ganz beträchtlichen Druckbeanspruchungen ausgesetzt. Zudem erfährt die Deckenplatte um die Stütze eine starke Querkraftbeanspruchung, so dass der Durchstanzwiderstand maßgebend werden kann. Der vorliegende Aufsatz untersucht die Interaktion zwischen den vertikalen Druckbeanspruchungen in der Deckenplatte und dem Durchstanzwiderstand mit Hilfe einer Versuchsreihe an sechs Plattenausschnitten (3,00 x 3,00 x 0,25 m) unter verschiedenen Lastkombinationen. Aufgrund der Versuchsresultate wird ein einfaches Bemessungsmodell vorgestellt. Dieses Modell basiert auf dem Ansatz der DIN 1045‐1 für den Durchstanzwiderstand von Decken ohne Querbewehrung, die einer horizontalen Druckspannung ausgesetzt sind (z. B. Vorspannung). Die mit dem Modell errechneten Resultate stimmen gut mit jenen der Versuche überein – sowohl beim Widerstand wie bei der beobachteten Bruchart. Interaction between column loading and punching shear strength in flat slabs without transverse reinforcement Flat slabs supported by columns are cost efficient solutions for high‐rise buildings. To reduce the cross section of the columns, the columns are typically precast with high strength concrete and include large amounts of longitudinal reinforcement. On the contrary, the slab between columns is typically cast‐in‐place with normal strength concrete. Thus, the slab is subjected in the support region of the columns to large transverse compressive stresses, which may exceed its uniaxial compressive strength. In addition, the flat slab around the column region has to carry large shear stresses, which may potentially lead to punching shear failures. In this paper, the interaction between column loads and shear forces in the support region of a flat slab is investigated by means of an experimental programme consisting of 6 slabs without transverse reinforcement (3.0 x 3.0 x 0.25 m). The flexural reinforcement of the slab was varied as well as the ratio between the column loads and the applied shear forces. On the basis of these results, a theoretical model based on the punching shear approach of DIN 1045‐1 is presented. This model accounts for the compressive stresses in the support region due to column loads and for the potential increase of punching shear strength due to it. A very good agreement between the test results and the theoretical model is obtained both in terms of strength and observed failure modes.     

Anprall und Explosion – Experimentelle Untersuchungen an Verbundbauteilen

Außergewöhnliche Bauwerksbeanspruchungen aus Explosion und Anprall rücken immer mehr in den Fokus der Bemessung wegen der weltweiten Zunahme terroristischer Anschläge. Der passive Schutz von Bauten gegenüber Terrorattacken gewinnt immer mehr an Bedeutung. Die Auswirkungen solcher dynamischen Belastungen aus Anprall und Explosion unterscheiden sich wegen des dynamischen Systemverhaltens und der Abhängigkeit vom Impulsverlauf erheblich von statischen Belastungen. Im Rahmen des europäischen RFCS (Research Fund for Coal and Steel)‐Forschungsprojekts COSIMB (Composite Column and Wall Systems for Impact and Blast Resistance) wurden an der Universität Karlsruhe, heute Karlsruher Institut für Technologie (KIT), am Imperial College, London, und bei der HOCHTIEF Construction AG, Frankfurt, Untersuchungen an Verbundstützen und Stützen‐Wand‐Verbundsystemen, bestehend aus höherfestem Stahl und hochfestem Beton, durchgeführt. Die Untersuchungen umfassten sowohl statische als auch dynamische Beanspruchungen. Die realisierten Aufprallgeschwindigkeiten betrugen bis zu 14,5 m/s bei einer Masse des Aufprallfahrzeugs von bis zu 1460 kg. Die aufgebrachten Explosionsbelastungen entsprachen der Druckwelle einer Sprengladung von bis zu 2240 kg TNT‐Äquivalent. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Versuchsdurchführung sowie die erhaltenen Ergebnisse. Blast and impact – Experimental investigations on composite structures. Nowadays civil engineers pay more attention to the extraordinary loads like blast and impact. This trend was set off by the political development after the Cold War when the risk of terrorist attacks increased. The passive protection of the buildings becomes more important. The effects of such loads are not the same as the effect of a static load with the same maximum amplitude. It is a fact that currently used structures are not designed for such extreme events. Within the European RFCS research project COSIMB experimental study on composite column and wall systems made out of high performance steel and concrete was done. The experimental study includes static and dynamic tests. The impact velocities were up to 14.5 m/s. The mass of the impact moving barrier was up to 1460 kg. The blast loads corresponds to an explosive charge up to 2240 kg TNT. In this paper the performance of the tests and the test results are presented.     

Einsatz von Latentwärmespeichern und Solarthermie

Moderne Heizsysteme können mit Vorlauftemperaturen im Bereich von 35 °C betrieben werden. Dieses Temperaturniveau bietet sich für den Einsatz von Niedertemperaturspeichern an, wodurch die Speicherverluste aufgrund einer reduzierten Temperaturdifferenz zur Umgebung verringert werden können. Um die bestehende Technik der Pufferspeichersysteme zu verbessern, wird in das Speichervolumen makroverkapseltes Latentwärmespeichermaterial eingesetzt. In einem Betriebstemperaturbereich von 30 bis 40 °C können als Phasenwechselmaterialien (PCM) Paraffine und Salzhydrate genutzt werden. Das niedrige Temperaturniveau ermöglicht den Einsatz der Solarthermie in den Übergangsmonaten (Herbst und Frühjahr), so dass ein höherer Beitrag zur Heizungsunterstützung geleistet werden kann. Die energetische Bewertung der Kombination aus PCM‐ Speicher und Solarthermie wird in Gesamtsystemanalysen untersucht. Application of latent heat storage devices and thermal solar collectors. Modern heating systems for buildings need a supply temperature of approximately 35 °C. In this temperature range it is possible to use low temperature storage systems. Therefore the heat losses over the envelope can be reduced because of the smaller temperature difference between the ambient air and the storage. In order to use the existing technique of the buffer storages more efficiently, latent heat storage devices are put into the storage volume. For the operating temperature range of 30 to 40 °C paraffins or salt hydrates can be used. Because of the low operating temperature it is possible to integrate solar thermal systems in the heating system (especially in spring and autumn). The overall system performance will be analysed.     

Ein elasto‐plastisches Materialmodell zur realistischen Berechnung der Verformungen mechanisch überhöhter Stahl‐ und Verbundträger

Zur anteiligen Kompensation der Verformungen von Stahl‐ und Verbundträgern werden diese häufig überhöht eingebaut. Wird die Überhöhung durch eine mechanische Beanspruchung (Boxen) aufgebracht, so besitzt der Stahlträger bereits im Einbauzustand plastische Dehnungen. Wie von Grages in [3] gezeigt, führt dies bei der Rückbelastung zu einer Abnahme der Steifigkeit. Dieses Phänomen ist auch als Bauschinger‐Effekt [2] bekannt und kann bei praktischen Verformungsberechnungen zu einer Unterschätzung der tatsächlich auftretenden Deformationen führen. In dem aktuellen Aufsatz wird ein ratenunabhängiges elasto‐plastisches Materialmodell mit linearer und nichtlinearer isotroper sowie nichtlinearer kinematischer Verfestigung vorgestellt, welches eine realistische Abschätzung der Verformungen erlaubt. Das gezeigte Materialmodell ist durch die geringe Anzahl an Eingangsparametern sehr einfach anwendbar. Eine gezielte Anpassung der einzelnen Parameter wird in anschaulicher Form dargestellt. Die Qualität des Modells wird anhand der Nachrechnung von in [3] durchgeführten Versuchen überprüft. An elasto‐plastic material model for realistic calculation of the deformations of mechanical cambered steel‐ and composite girders. Steel and composite girders are often cambered before they are embedded into structures to compensate deflections. In case of a mechanical pre‐deformation via a hydraulic press the steel girder contains plastic strains before assembly. As shown by Grages [3] this leads to a reduction of stiffness and strength during reverse loading. This phenomenon is also known as the Bauschinger‐Effect [2] and may lead to an underestimation of the real deformation during a structural analysis. In this paper a rate‐independent elastoplastic material model with linear and nonlinear isotropic as well as nonlinear kinematic hardening is introduced which allows a realistic estimation of deformations. The material model presented can be easily applied due to its low number of parameters. A straightforward algorithm to adjust the single parameters is described. The quality of the model is verified by a recalculation of experimental data from [3].     

Vereinfachtes Flächenerfassungsmodell für Mehrzonenbilanzen

Bei der energetischen Bilanzierung nach DIN V 18599 müssen Gebäude aufgrund unterschiedlicher Nutzungseigenschaften zoniert werden. Auch die Gebäudehüllfläche wird nach diesen Kriterien aufgeteilt und den Zonen zur weiteren Berechnung zugewiesen. In der Praxis ist die Aufteilung der inneren Zonenumschließungs‐ und der äußeren Gebäudehüllfläche mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden. Etwa 50 % der Zeit wird für die Zonierung und die Ermittlung dieser Flächen‐ und Bauteileigenschaften benötigt. Zur Verringerung des Zeitaufwandes wurde eine Methode entwickelt, mit welcher die Gebäudehülle ähnlich dem 1‐Zonen‐Modell erfasst werden kann. Die Hüllfläche wird den Zonen vereinfacht zugeordnet, sodass die eigentliche Berechnung in der Mehrzonenbilanz erfolgen kann. Dies bringt wesentliche Vorteile bei der Auslegung und Optimierung nachgeschalteter Anlagentechnik mit sich. Die Verteilung der thermischen Hüllflächen erfolgt bei diesem vereinfachten Verfahren in Abhängigkeit von der Zonengröße und kann über ein Wichtungsverfahren beeinflusst bzw. korrigiert werden. Untersuchungen an mehreren Gebäuden haben gezeigt, dass die Flächenverteilung mit einer guten Genauigkeit eingesetzt werden kann, wobei eine “intelligente” Zuteilung über ein Wichtungsverfahren erforderlich ist. Die Zeitersparnis bei Anwendung der Vereinfachungen beträgt etwa 30 %. Bei komplexeren, vielzonigen Gebäuden ist die Einsparung tendenziell höher einzuschätzen. Das Verfahren erlaubt, alle Bauteilflächen detailliert auf Zonenebene nachzueditieren und somit die Möglichkeit, das Gebäudemodell planungsbegleitend zu konkretisieren. So kann die Berechnung im Laufe der Projektbearbeitung immer weiter präzisiert werden, wodurch die Berechnungsgenauigkeit und die Optimierungsmöglichkeiten gesteigert werden. Diese Vereinfachungen sollen zukünftig in der Luxemburger EnEV zur energetischen Bewertung von neu zu errichtenden Nichtwohngebäuden nach DIN V 18599 Anwendung finden. A simplified surface area calculation and zoning model for energy performance assessment of buildings. According to the DIN V 18599 energy performance assessment, buildings have to be divided into zones depending on their utilisation. The same zoning applies to the building envelope where the segments are being allocated to the individual zones. In engineering practice about 50% of the work is required for zoning, calculating surface areas and evaluating the properties of building envelope components. In order to reduce the time needed for these efforts a methodology similar to the single zone model has been developed. To carry out the multiple zone calculation the building envelope is being split and allocated to the individual zones in a simplified way. This as well provides a significant advantage for the dimensioning and optimisation of the related HVAC and lighting systems. Within the simplified calculation, the allocation of the building envelope is carried out in dependence of the zone size and corrected with a weighting factor if needed. The analysis of several buildings has shown that the simplified method can be applied with sufficient accuracy. The weighting factors are however necessary. By implementing this simplification the time expenditure to calculate a building is reduced by more or less 30%. This reduction tends to be even more important when dealing with complex buildings which have a high number of zones. The methodology enables building components to be edited by zones and hereby gives the opportunity to easily modify the design during the course of the planning. As the project develops, the calculations can be more detailed thereby increasing the precision of the calculation. In the near future this methodology will be implemented in the Luxembourg energy saving ordinance (EnEV) for the energy performance assessment of non residential buildings.     

Korrosionsprodukte und deren Volumenfaktor bei der Korrosion von Stahl in Beton

Korrosion der Bewehrung ist eine der Hauptursachen für Schäden an Betonbauwerken. Das Volumen des Rostes ist i. d. R. um ein Vielfaches größer als das ursprüngliche Stahlvolumen, was zu Rissbildungen und Abplatzungen des Betons bis hin zum Verlust der Gebrauchstauglichkeit führen kann. Basierend auf gezielten Korrosionsuntersuchungen werden in diesem Beitrag die Hauptkomponenten der typischen Eisenoxide und ‐hydrate sowie deren Volumenfaktoren beschrieben, die als Basis für weiterführende Betrachtungen der Auswirkungen der Bewehrungskorrosion dienen sollen. Corrosion Products and their Volume Factor Created by Corrosion of Steel in Concrete Steel corrosion is one of the main reasons of degradation and damage of concrete structures. The volume of rust, resulting from steel corrosion, can be several times greater than the original steel volume which leads to cracking and spalling of the concrete and may finally end in the loss of structural functionality. Based on corrosion experiments on black steel, this article presents the major components of typical oxide layers and their volume expansion and thus forms a basis for further studies on corrosion of steel in concrete.     

Effizienzsteigerung von Textilbeton durch Einsatz textiler Bewehrungen nach dem erweiterten Nähwirkverfahren

Textilbeton ist ein neuer, effektiver und sehr innovativer Baustoff zur Verstärkung von Tragwerken. Im Rahmen der laufenden Forschung stehen die weitere Verbesserung des Verstärkungsverfahrens und die stetige Weiterentwicklung der Faser‐Matrix Kombination im Mittelpunkt der Untersuchungen. Aufgrund der hohen Garnzugfestigkeiten sind bei Verwendung textiler Bewehrungen aus Carbon sehr effektive Verstärkungen herstellbar. Bei ungünstiger Konfiguration der textilen Bewehrungen können jedoch verbund‐ und festigkeitsschädigende Rissbildungen innerhalb zugbeanspruchter Textilbetonbauteile auftreten. Diese Rissbildungseffekte werden in Abhängigkeit von der Belastung maßgeblich durch die wirkenden Verbundkräfte und die verarbeitungsbedingte Garnwelligkeit beeinflusst. Dabei ist die Gefahr eines Verbundversagens durch Delamination besonders in den Bereichen der Lasteinleitung in die textile Bewehrung, wie z. B. Endverankerungen und Übergreifungsstößen, kritisch. Dies führt zu einer Reduzierung der nutzbaren Zugtragfähigkeit der textilen Bewehrung im Gesamtbauteil. Um die Effizienz der textilen Bewehrung zu erhöhen, wurde daher ein verbessertes Textilherstellungsverfahren auf Basis der Nähwirktechnik entwickelt. Dadurch wird die ungünstig wirkende Garnwelligkeit deutlich reduziert. Der vorliegende Aufsatz beschreibt vergleichende Untersuchungen der Verbund‐ und Festigkeitseigenschaften zugbeanspruchter Textilbetonbauteile. Die Ergebnisse zeigen, dass mit der Entwicklung des erweiterten Nähwirkprozesses ein maßgeblicher Schritt im Hinblick auf eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Textilbetons erreicht werden konnte. Efficiency Increase of Textile Reinforced Concrete by Use of Textile Reinforcements from the Extended Warp Knitting Process The composite material textile reinforced concrete (TRC) is a new, effective and very innovative method for the strengthening of load bearing structures. Apart from further improvements to the strengthening methods, a continual further development of the fibre‐matrix combination is at the centre of ongoing research. Due to the high tensile strengths of textile reinforcements made of carbon, it enables very effective strengthening of concrete constructions. However, if the textile fabrics are unfavourably configured, bond and strength damaging crack formations within TRC members can occur. Depending on the load, these crack formation effects are substantially influenced by the bond and the size of yarn undulation, which depends on the processing of the fabric. The danger of bond failure by delamination, which particularly occurs in areas of concentrated load introduction into the textile reinforcement, such as final anchorages and overlaps, is especially critical. It results in a reduction of the usable tensile load bearing capacity in the entire member. For this reason, an improved textile manufacturing method based on warp knitting technology was developed. By means of this method, yarn undulation can be reduced considerably. The article on hand describes comparative examinations of the bond and strength properties of tensile loaded TRC elements. The results show that the development of the extended warp knitting process was a substantial step toward a further improvement of the properties of TRC.     

Berechnung der Knicklast in Bogenebene von Netzwerkbögen

Netzwerkbögen sind Stabbogenbrücken mit geneigten Hängern, die sich mehrmals kreuzen. In den letzten fünf Jahren wurde eine bedeutende Anzahl von neuen Netzwerkbogenbrücken gebaut und vielleicht eine Abwendung von den traditionellen Stabbögen mit vertikalen Hängern eingeleitet. Wenn neue Tragwerke in die Bautechnik eingeführt werden, ist es wichtig, ihr Tragverhalten zu verstehen, um das gewohnte Sicherheits‐ und Qualitätsniveau zu wahren. In Bögen ist in diesem Zusammenhang das Stabilitätsverhalten von besonderem Interesse. Die einzige existierende Lösung kann das Knicken von Netzwerkbögen in ihrer Ebene nicht in befriedigendem Maße erklären, da ihr Anwendungsbereich auf einen Sonderfall begrenzt ist. Eine allgemeine Parameterstudie des Knickens in Bogenebene führt zu einem Konzept, nach dem das Problem als ein gekrümmter Druckstab mit radialer elastischer Bettung aufgefasst werden kann. Es wird daraufhin eine einfache analytische Formel hergeleitet, die die kritische elastische Knicklast und die kritische Eigenform mit einem Fehler von weniger als 5% voraussagt. Calculation of the critical in‐plane buckling load of network arches. Network arches are tied arch bridges with inclined hangers, which have multiple intersections. In the last five years there has been built a significant number of network arch bridges, maybe initiating a turning away from the traditional tied arches with vertical hangers. When introducing new structures it is important to understand well its structural behaviour in order to assure the usual safety and quality level. In arches, the buckling behaviour is of particular interest. The existent solution does not explain the in‐plane buckling of network arches to a satisfying extent, limiting its application range to a special case. A general parametric study of the in‐plane buckling leads to a concept, which allows considering the problem as a curved compression strut with radial elastic support. Then, a simple analytical formula is derived that predicts the critical buckling load and buckling mode for in‐plane buckling of network arch bridges with an error of less than 5%.     

Stahlbetonbauteile unter einer kombinierten Beanspruchung aus Last und zentrischem Zwang

Im Allgemeinen führt eine linear elastische Berechnung von Biegebauteilen zu brauchbaren und hinreichend genauen Ergebnissen bei der Bestimmung der Schnittgrößen als Grundlage für die Bemessung der Querschnitte. Grundsätzlich anders verhält es sich dagegen mit den Schnittgrößen infolge von Zwang und den Durchbiegungen, die beide von den absoluten Steifigkeiten abhängig sind. Daher sind in diesen Fällen für eine realitätsnahe Berechnung nichtlineare Verfahren anzuwenden. Dabei sind die Einflüsse aus einer Rissbildung (Steifigkeitsabfall) sowie aus dem Kriechen und Schwinden des Betons zu berücksichtigen. Auf eine besondere Problemstellung führt dabei die kombinierte Beanspruchung infolge von Last und Zwang. DIN 1045‐1 enthält Näherungen als Regelungen, sowohl für die Begrenzung der Durchbiegungen, als auch der Rissbreiten unter einer kombinierten Beanspruchung. Es stellt sich u. a. die Frage nach deren Gültigkeitsgrenzen. Reinforced Concrete Elements subjected to a Combined Effect of Action due to Load and Centric Restraint In general a linear elastic analysis for bending members is useful and suitable for the determination of internal forces and moments as basis for design. This is fundamentally different in case of internal forces due to restraint and deflections, which requires a realistic non‐linear calculation. The influences of cracking, creeping and shrinkage definitely have to be considered. A special problem results from the combined subjection to load and restraint. Concerning this matter, the standard DIN 1045‐1 comprehends approximate rules for the deflections as well as for the crack control under the combined effects. The point is their limit of validity.     

Betonplatten unter Stoßbelastung – Fallturmversuche

In dieser Arbeit werden Fallturmexperimente an Stahlbetonplatten vorgestellt, die an der Technischen Universität Dresden durchgeführt wurden. Es wurden dabei Fallhöhen von bis zu 9 m realisiert. Eine Motivation für diese Experimente war es, das Wissen über nachträgliche Verstärkung von Stahlbetonplatten gegen Steinschlag oder harten Fahrzeuganprall zu erweitern und Möglichkeiten einer nachträglichen Struktursicherung näher zu untersuchen. Die experimentelle Zielstellung war daher, den Einfluss von Stoßgeschwindigkeit, unterschiedlichen Verstärkungsarten und Betonfestigkeiten auf das lokale Materialverhalten und globale Tragverhalten von Platten zu untersuchen. Für zwei der insgesamt 15 Platten wurden zusätzlich zur Standardbewehrung Bügel eingebaut, um die Durchstanzfestigkeit der Platten zu erhöhen. Für einen Teil der Versuchsplatten wurden Stahl‐ bzw. Carbontextilien als nachträgliche Verstärkung verwendet. Dabei konnte festgestellt werden, dass eine derartige nachträgliche textile Verstärkung das komplette Durchschlagen des Impaktors verhindert und daher eine wirksame Schutzmaßnahme, beispielsweise für Steinschlaggalerien, darstellt. Concrete Slabs under Impact Load – Drop Tower Experiments Impact experiments on reinforced concrete slabs are presented in this work. In order to analyse the behaviour of concrete under high strain rates, an impact mass was dropped from the maximum height of 9 m onto quadratic concrete slabs with a side length of 1 m. The aim of this work was to enlarge knowledge about subsequent structure protection against rock fall or vehicle impact. With this intention, experimental studies on impact velocity, reinforcement techniques were done to determine the influence to local material behaviour and global structure behaviour. Supplemental steel stirrup reinforcement was added to two of the 15 concrete slabs to increase punching resistance. Subsequent textile reinforcement was applied on six concrete slabs using steel fabric reinforcement as well as carbon fabric reinforcement. As a main result of this study it is shown, that a subsequent textile reinforcement prevents the perforation of the slab. For this reason, textile reinforcement can, for example, be used for protection component in rock fall galleries.     

Tragverhalten und Dauerhaftigkeit einer schlanken Textilbetonbrücke

Auf der Schwäbischen Alb wurde eine ältere Fußgängerbrücke aus Stahlbeton durch eine neue Brücke aus Textilbeton ersetzt, die durch die Kombination von textilbewehrtem Beton und einer Vorspannung ohne Verbund eine außergewöhnliche Schlankheit erreicht. Bei einer Betondeckung von nur 1,5 cm für die Bewehrung aus technischen Textilien war ein im Vergleich zu Stahlbetonbauteilen ungewöhnlich filigraner mehrstegiger Plattenbalkenquerschnitt als Überbau ausführbar. In dem vorliegenden Beitrag werden Untersuchungen zu den Werkstoffen, zum Tragverhalten und zur Dauerhaftigkeit vorgestellt. Das Tragwerk, die Bemessung und Konstruktion sowie insbesondere das Schwingungsverhalten sind Gegenstand eines separaten Beitrags in diesem Heft. Load‐Bearing Behavior and Durability of a Slender Textile Reinforced Concrete Bridge An older pedestrian bridge was replaced by a new bridge made of textile reinforced concrete (TRC) in Southern Germany. A remarkable slenderness was achieved by using a combination of TRC and an unbounded prestressing. The concrete cover of only 1,5 cm makes it possible to design an uncommonly slender Tbeam with seven webs and which is used as superstructure. The article deals with the experimental investigations of the material properties, load‐bearing behaviour and durability. The design and construction, especially the dynamic behaviour, of the bearing structure is described in a separate article in this issue.     

Auswirkungen der Matrixzusammensetzung auf die Dauerhaftigkeit von Betonen mit textilen Bewehrungen aus AR‐Glas

Verbundmaterialien aus Feinbetonen mit textiler Bewehrung aus alkaliresistentem Glas (AR‐Glas) können ausgeprägten zeitabhängigen Veränderungen hinsichtlich des mechanischen Leistungsvermögens unterliegen. Für eine zielsichere Anwendung solcher Werkstoffe im Bauwesen sind genaue Kenntnisse über die Höhe und die Ursachen dieser Leistungsverluste unabdingbar. In diesem Artikel werden anhand von Ergebnissen aktueller Untersuchungen entscheidende Mechanismen für die Alterungsprozesse dargestellt, die aus der Zusammensetzung der Feinbetone resultieren. Dazu wurden aus verschiedenen Betonzusammensetzungen, die sich maßgeblich in ihrer Hydratationskinetik und Alkalität unterschieden, textilbewehrte Dehnkörper hergestellt und nach beschleunigter Alterung geprüft. Dehnkörper aus Feinbeton mit hoher Alkalität (das Bindemittel bestand nur aus CEM I) zeigten dramatische Einbußen bei Zugfestigkeit und Bruchdehnung. Das Leistungsvermögen von Proben aus Feinbetonen mit puzzolanisch abgepufferter Bindemittelzusammensetzung und gleichzeitig reduziertem Portlandzementklinkeranteil zeigte sich dagegen weitgehend unbeeinflusst von Alterungsprozessen. Mit Hilfe von beidseitigen Garnauszugversuchen an beschleunigt gealterten Feinbetonproben wurden die für das unterschiedliche Materialverhalten verantwortlichen Degradationsmechanismen aufgeklärt. Neben der mechanischen Prüfung wurde dazu auch die Interphase zwischen Fasern und umgebendem Feinbeton mit bildgebenden und analytischen Verfahren charakterisiert. Die festgestellten Einbußen im Leistungsvermögen des Garn‐Matrix‐Verbundes konnten überwiegend auf die Neubildung von ungünstig strukturierten Hydratationsprodukten in der Interphase Filament‐Matrix bzw. in Filamentzwischenräumen zurückgeführt werden. Die Morphologie dieser Phase wird maßgeblich von der Bindemittelzusammensetzung bestimmt. Korrosion des AR‐Glases als Schadensursache kann unter ungünstigen Umständen auch eine große Rolle spielen, ist aber bei geeigneter Matrixformulierung von untergeordneter Bedeutung. Effect of Matrix Composition on the Durability of Concretes Reinforced with Glass Fibre Fabric The mechanical performance of composites made of finegrained concrete and textile reinforcement can worsen markedly with increasing age if alkali‐resistant glass (AR‐glass) is used as the reinforcing material. For reliable practical applications of textile‐reinforced concrete, precise knowledge as to the extent and causes of such degradation is indispensable. This paper discusses important aging mechanisms resulting from the composition of fine‐grained concrete. Tensile tests on composites made of different concrete compositions distinguished from one another by their hydration kinetics and alkalinity were performed before and after accelerated aging. Composites made of concrete with high alkalinity showed dramatic losses of tensile strength and strain capacity. In contrast the mechanical performance of composites whose binders had reduced Portland cement clinker content plus added puzzolana was hardly affected by the accelerated aging. To clarify the mechanisms of degradation, yarn pullout tests were performed on specimens of equal matrix composition and age. Additionally, the morphology of the interphase between matrix and fibre was characterised using direct microscopic examination and analytical methods. The new formation of unfavourably structured products of hydration in the filament‐matrix interphase and/or in the empty spaces between filaments was found to be the main reason for the performance losses observed. The morphology of these hydration products is determined to a great extent by the binder composition. Under unfavourable conditions corrosion of AR‐glass can occur as well and lead to distinct composite damage. However, if the formulation of the binder is proper, bulk glass corrosion is of minor importance.     

Tragverhalten von Flachdecken aus Stahlfaserbeton im negativen Momentenbereich und Bemessungsmodell für das Gesamtsystem

Der vorliegende Artikel befasst sich mit dem Tragverhalten von Flachdecken aus Stahlfaserbeton im negativen Momentenbereich. Zugkräfte werden allein von den in der Betonmatrix eingebetteten Stahlfasern aufgenommen, letztere ermöglichen in einer Dosierung von 100 kg/m³ (1.3 % des Volumens) eine hohe Rotationsfähigkeit bei gleichzeitig hoher Tragfähigkeit. In einer ersten Phase kann anhand von Laborversuchen an Deckenausschnitten gezeigt werden, dass bei Flachdecken mit reiner Faserbewehrung und unter rotationssymetrischer Belastung kein Durchstanzen auftritt und sich ein Biegeversagen mit deutlicher Bruchlinienbildung einstellt. Neben den erhaltenen Informationen über Versagensart und ‐last konnte ebenfalls eine abfallende Faserwirksamkeit mit steigender Plattendicke festgestellt werden. Kombiniert mit den experimentellen Untersuchungen kann anhand nicht‐linearer FE‐Simulationen der Einfluss von Aussparungen bei lokalem Plattenversagen im Stützenbereich auf die Traglast beschrieben werden. Anhand der Festigkeitsstreuungen und einem semi‐probabilistischen Sicherheitskonzept wird ein Sicherheitsfaktor hergeleitet, welcher es ermöglicht, einen Bemessungswert der Querschnittstragfähigkeit zu berechnen. Wegen dem experimentell festgestellten Biegeversagen wird die Bruchlinientheorie als Rechenmodell angewendet. Bearing Capacity of Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) Flat Slabs in the Negative Bending Moment Area and Design Model for the Complete System The present paper deals with the bearing behaviour of steel fibre reinforced concrete (SFRC) flat slabs in the negative bending moment area. Tensile forces are carried only by steel fibers. The latter allow, due to a dosage of 100 kg/m³ (1.3% in volume), a high rotation capacity with simultaneously high bearing capacities. In a first step experimental analysis showed that under symmetrical loading no punching shear failure occurred. A bending behaviour with creation of yield lines was observed for all test specimens. Furthermore, a decreasing fibre orientation with growing plate height could be noticed. The effect of openings in the column area on the bearing capacity loss in a local failure were evaluated with the use of non‐linear finite element software. Scatter in bending tensile strengths was used to calculate a safety factor by the means of a semi‐probabilistic safety concept. Eventually, slab design is performed by using yield line theory.     

Energetische Bilanzierung von Wohngebäuden nach DIN V 18599

Die energetische Bilanzierung von Wohngebäuden darf gemäß EnEV 2009 wahlweise auf Grundlage der neuen Berechnungsnorm DIN V 18599 oder auf Basis der älteren Vorschriften DIN V 4108‐6 in Verbindung mit DIN V 4701‐10 vorgenommen werden. Eine Berechnung nach DIN V 18599 führt hierbei im Regelfall zu einem höheren Primär‐ und Endenergiebedarf. Dieses ist einerseits auf den ungünstigeren Ansatz der Randbedingungen (Raumtemperatur, Interne Gewinne, Trinkwarmwasserbedarf, etc.) zurückzuführen, beruht aber im Wesentlichen auf einer im Allgemeinen deutlich ungünstigeren Bewertung der anlagentechnischen Seite bei Verwendung von Standardwerten. Auch der zulässige Primärenergiebedarf des Referenzgebäudes ist bei einer Auslegung nach DIN V 18599 im Regelfall deutlich höher und kann berechnungsabhängig sogar das Niveau der alten EnEV 2007 erreichen. Hier wäre eine zukünftige Anpassung der Rechenverfahren wünschenswert. Im Rahmen dieses Beitrags werden entsprechende Vergleichsrechnungen an idealisierten Wohngebäuden vorgenommen, die auch eine quantitative Einschätzung der Unterschiede für Regelfälle ermöglichen. Hierbei wird deutlich, dass unter Angleichung der Randbedingungen und bei genauerer Darstellung der anlagentechnischen Kenngrößen eine Annäherung der Rechenergebnisse erfolgt. Im Hinblick auf eine praxisgerechte und vereinfachte energetische Bilanzierung kann das Rechenverfahren der DIN V 4108‐6 in Verbindung mit DIN V 4701‐10 für Regelfälle im Wohnungsbau verwendet werden. Eine Berechnung von normalen Wohngebäuden nach dieser Norm gestattet eine gleichsam einfache wie zuverlässige energetische Bilanzierung. Für Gebäude mit Kühlung oder komplexer Anlagentechnik kann DIN V 18599 verwendet werden. Die Wahlfreiheit für Wohngebäude sollte auch bei zukünftigen gesetzlichen Regelungen Anwendung finden. Establishing the energy performance of residential buildings in accordance with DIN V 18599. In accordance with EnEV 2009 (Energy Conservation Regulations), it is permitted to calculate the energy performance of residential buildings on the basis of the new DIN V 18599 calculation standard or the older DIN V 4108‐6 regulations in combination with DIN V 4701‐10. As a rule, calculations carried out in accordance with DIN V 18599 lead to higher primary and final energy demand. This is in part due to less favourable input parameters (room temperature, internal gains, demand for domestic hot water, etc.) but in general, it is mostly due to a significantly less favourable evaluation of services installations when using standard values. Likewise, the permitted primary energy demand of the reference building is significantly higher in most cases when assessed under DIN V 18599, and may even reach the level of the old EnEV 2007, depending on how the calculations are carried out. For the future it would be desirable to modify the calculation methods. This article contains comparative calculations for theoretical residential buildings which also allow a quantitative assessment of the differences in standard cases. It becomes clear that when equivalent input parameters are used and the services installations parameters are defined more precisely, the calculation results are less divergent. With a view to a simplified and yet practice‐orientated method for calculating the energy performance of standard residential buildings, it is possible to use the calculation method of DIN V 4108‐6 in combination with DIN V 4701‐10. Calculating the energy performance of standard residential buildings in accordance with this standard provides a simple and yet reliable method. For buildings with cooling or more complex services installations, DIN V 18599 can be used. It is recommended that future legislation allow the option of choice for residential buildings.