Bemessung von Stahlbetonstützen im Brandfall: Absicherung der nicht‐linearen Zonenmethode durch Laborversuche

Die nicht‐lineare Zonenmethode kann für die Bemessung von Stahlbetonstützen im Brandfall verwendet werden. Sie bildet die wesentlichen mechanischen Auswirkungen einer Brandbeanspruchung ab und wurde durch einen Ergebnisvergleich nachgewiesen. Hierzu wurden Traglasten und Verformungskurven sowohl mit der nicht‐linearen Zonenmethode als auch mit den Allgemeinen Rechenverfahren bestimmt und beurteilt. In Ergänzung dieses Nachweises wird im vorliegenden Beitrag statistisch untersucht, ob eine Nachrechnung von Laborversuchen mit der nicht‐linearen Zonenmethode eine ausreichende Sicherheit nach DIN 4102‐2 erreicht. Die vorliegenden Laborversuche werden hierzu mit ihren Systemparametern dargestellt. Nicht genau bekannte Randbedingungen werden durch begründete Annahmen vervollständigt. Besonderheiten der Nachrechnung der Laborversuche mit der nicht‐linearen Zonenmethode werden beleuchtet. Die statistische Auswertung dieser Nachrechnung zeigt die relevanten Kennzahlen, mit denen im Ergebnis eine ausreichende Sicherheit nach DIN 4102‐2 nachgewiesen werden kann. Design of Reinforced Concrete Columns exposed to Fire: Validation of Simplified Method (Zone Method) by Tests The nonlinear zone method (simplified calculation method) can be used for design of reinforced concrete columns exposed to fire. The decisive action effects of a fire exposure on the structural behaviour are considered by this method and have been proofed by a comparison of ultimate loads and deformation curves computed by using nonlinear zone method as well as using advanced method. In addition, this article statistically evaluates how safe – according to DIN 4102‐2 – published full scale tests can be modelled by using nonlinear zone method. Information to mentioned tests is shown. Reasonable assumptions are given for not published boundary conditions. The application of nonlinear zone method is explained. The statistical evaluation leads to governing key data, which proof adequate safety according to DIN 4102‐2.     

Normen für den Konstruktiven Ingenieurbau

Codes in Structural Engineering In structural engineering codes are of essential importance. Codes have to represent accepted rules as well as the state of the art in science and technology and they provide a basis for the communication between all involved professionals. In codes of the future all procedural steps of planning have to be included – design, execution, service, conservation and dismantlement – and an integral approach to safety and quality has to be adopted. In comparison to present codes, the technical breadth and the level of detail will increase. Nonetheless, the overall aim of code writers shall be to come up with regulations that are easy to understand and to apply. Codes of the future have to (re‐)gain their significance and acceptance.     

Teilsicherheitsfaktoren für die Berechnung von Großkraftwerken

Die Baustrukturen von Großkraftwerken werden in Deutschland u. a. auf Basis der VGB‐Richtlinie R 602 U berechnet und bemessen. In dieser Richtlinie sind unter Berücksichtigung der Besonderheiten des Großkraftwerksbaus Einwirkungen und Teilsicherheitsfaktoren definiert. Während die Lasten auf diese Randbedingungen abgestimmt wurden, hat man die Teilsicherheitsfaktoren auf der Lastseite aus der DIN 1055‐100 entnommen und lediglich die Kombinationsbeiwerte angepasst. Diese Sicherheitsbeiwerte tragen jedoch den speziellen Randbedingungen eines Kraftwerks oder Schwerindustriebaus nur bedingt Rechnung. Im Rahmen des Beitrags werden die Teilsicherheitsbeiwerte auf der Einwirkungsseite – insbesondere für das Konstruktionseigengewicht – für die Bemessung von Stahlbetonteilen vor diesem Hintergrund kritisch diskutiert und ein optimierter, wissenschaftlich abgesicherter Vorschlag unterbreitet. Partial Safety Factors for the Design of Power Plants In Germany power plants are designed in accordance to VGB regulation R 602 U. In this code load actions and partial safety factors are applied taking the special characteristics of power plants into consideration. The actions are defined regarding these circumstances, however the safety coefficients are assumed according to DIN 1055‐100 and only the combination coefficients are adjusted. However it has to be recognized that the partial safety factors in DIN 1055‐100 are calibrated for building constructions and thus do not consider the specialities of power plants in an adequate manner. In this paper the partial safety factors for the design of power plants and other heavy industry buildings are discussed for structural concrete elements and a scientific based optimized approach for the safety factor for dead load is presented.     

Beurteilung der Zuverlässigkeit von Bestandstragwerken hinsichtlich einer Querkraftbeanspruchung

Probabilistische Berechnungsverfahren gewinnen im Bauingenieurwesen immer mehr an Bedeutung. Die Probabilistik wird sowohl zur Kalibrierung von Teilsicherheitsbeiwerten des semiprobabilistischen Sicherheitskonzepts der aktuellen Normengeneration als auch im Rahmen von Tragfähigkeitsbewertungen bestehender Bauten eingesetzt. Für biegebeanspruchte Stahlbetonbauteile kann die Grenzzustandsfunktion für Tragwerksversagen aufgrund eines klaren mechanischen Tragmodells eindeutig angegeben werden. Im Gegensatz hierzu gibt es bei der Formulierung des mechanischen Modells des Querkraftabtrags bisher noch große Unsicherheiten. Der nachfolgende Beitrag beschäftigt sich mit der Zuverlässigkeit von querkraftbeanspruchten Bauteilen im Hochbau und soll als Hilfestellung zur Wahl geeigneter statistischer Kenngrößen der Modellunsicherheiten für probabilistische Berechnungen verstanden werden. Die vorgeschlagenen Kenngrößen wurden aus umfangreichen Parameterstudien im Hinblick auf das Zielzuverlässigkeitsniveau gewählt. Reliability Assessment of Existing Structures subjected to Shear Force Probabilistic analyses are becoming more and more important in civil engineering. Probabilistics can be used for the calibration of partial safety factors of the semi probabilistic safety concept of current codes as well as in the context of sustainability evaluations of existing buildings. For reinforced concrete components subjected to bending, the limit state function for structural failure can be specified clearly because of a well‐defined mechanical model. By contrast, for the formulation of the mechanical model of shear carrying capacity there are still large uncertainties. The following article deals with the reliability of components in building structures subjected to shear force and should be understood as a support selecting appropriate statistical parameters of model uncertainties for probabilistic calculations. The proposed statistic parameters of model uncertainties were selected out of extensive parameter studies in view of the target reliability level.     

Tragfähigkeit von Einzelstützen nach Eurocode 2 mit besonderem Bezug auf das Verfahren mit Nennsteifigkeiten

The Bearing Capacity of Single Columns according to Eurocode 2 with Regard to the Method based on Nominal Stiffness Within the context of European harmonization the general rules and execution for concrete constructions are documented in Eurocode 2. The calculation of structures with axial loads can be made either based on approximation procedures or based on the general method of non‐linear 2nd order analysis. A set of calculations of isolated members will demonstrate the influence of the material, of the slenderness and of the eccentricity of the axial force. The results are compared with one another in a critical discussion.     

Ein Bemessungskonzept für unbewehrte und faserbewehrte Tunnelinnenschalen

Aufbauend auf geltenden Richtlinien und Normen wird ein Verfahren für die statische Berechnung und Bemessung unbewehrter und faserbewehrter Tunnelinnenschalen vorgestellt. Das Bemessungskonzept erfordert eine iterative Suche nach dem statischen Gleichgewicht des Tragsystems unter Berücksichtigung nichtlinearen Materialverhaltens. Als Ergebnis liefert das Verfahren nebst den herkömmlichen Nachweisen (Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit) Aussagen, ob eine unbewehrte bzw. faserbewehrte Ausführung der Innenschale möglich ist. Im Falle der Notwendigkeit faserbewehrten Innenschalenbetons sind Aussagen bezüglich der erforderlichen Nachrisszugfestigkeit möglich. A Design Concept for Plain and Fibre‐Reinforced Final Linings of Tunnels A concept for the design of final tunnel linings on the basis of current standards and guidelines is presented. The proposed method requires an iterative approach towards the equilibrium of the static system considering nonlinear material behaviour in compression and tension. As a result this method returns a design proof either for the unreinforced lining or the fibre‐reinforced lining including the required post crack tensile strength of fibre‐reinforced concrete.     

Zur sinnvollen Anwendung ganzheitlicher Gebäudemodelle in der Tragwerksplanung von Hochbauten

Ausgehend von den kritischen Randbedingungen der Berechnung mit ganzheitlichen Gebäudemodellen werden typische und häufig anzutreffende Konstruktionsfälle diskutiert, bei denen Gesamtmodelle Vorteile für den Entwurf aufzeigen. Hier sind räumliche Tragwirkungen zu nennen, die Erfassung von Zwangsbeanspruchungen bei komplexen Grundrissen mit vielfältigen Festhaltungen sowie die Beanspruchung schlanker Gebäudestrukturen aus Windlasten und seismischen Einwirkungen. Für die genannten sinnvollen Anwendungsfälle werden die notwendigen Randbedingungen diskutiert. Die jeweiligen Anwendungsfälle werden anhand konkreter Gebäudebeispiele vorgestellt. On the reasonable use of total building models in the design of building structures Coming from the critical boundary conditions of the calculation with total building models, typical and prevalent constructions, where total models show advantages for the design, will be discussed. Here, spatial load‐bearing impact, the registration of unforced interactions of complex ground plans with various supports as well as the stressing of slender building structures resulting from wind loads and seismic impacts have to be mentioned. For the stated reasonable use cases the necessary boundary conditions will be discussed. The respective use cases will be presented by means of concrete building examples.     

Zur Querkraftgefährdung bestehender Spannbetonbrücken

Zur Formulierung einer Handlungsanweisung wurden in Teil I die geänderten Lastannahmen für Brücken nach DIN Fachbericht 101 mit den Belastungsklassen nach alten Normen verglichen und gezeigt, wie anhand aktueller Verkehrszahlen die Lastansätze modifiziert werden können. Der aktuelle Brückenbestand in Hessen wurde mit der Straßeninformationsbank (Teilprojekt Bauwerksdaten) ausgewertet, um Klassifizierungs‐ und Bewertungskriterien zu erarbeiten. Zur Beurteilung des Querkraftwiderstandes wurden die Grundlagen der Querkraftbemessung nach DIN 1045, DIN 4227, DIN Fachbericht 102 und aus der Literatur gegenübergestellt. In Teil II werden Verfahren zur nachträglichen Verstärkung von Querschnitten und Tragsystemen mit zu geringer Querkrafttragfähigkeit zusammengestellt. Des Weiteren werden verschiedene Varianten der Modellierung verglichen, die bei der linearelastischen Schnittgrößenermittlung nach der Finite‐Elemente‐ Methode verwendet werden. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden schließlich Empfehlungen für eine Handlungsanweisung zur Beurteilung querkraftgefährdeter Brückenbauwerke formuliert. Shear‐Vulnerability of Existing Pre‐Stressed Concrete Bridges In Part I, to formulate an operation directive the revised load assumptions for bridges of DIN Technical Report 101 are compared with the loading classes according to old standards and it is demonstrated, how the loading models can be modified based on actual traffic data. The current bridge asset in the Federal State of Hesse is evaluated using the “Road Information Database (Sub‐Project: Structural Data)” in order to work out classification and evaluation criteria. Regarding the assessment of the shear load‐bearing capacity the fundamentals of the shear load design models of DIN 1045, DIN 4227, DIN TR 102 and from the literature are compared. In Part II, the procedures for the subsequent strengthening of cross‐sections and structural systems with a low shear load‐bearing capacity are compiled. In addition, different types of finite element modelling are compared used for the calculation of the linear‐elastic internal forces. Finally, based on the findings recommendations are formulated for an operation directive in regard to the assessment of shear‐vulnerable bridges.