Kühlwirkung einer an die Sohlplatte gekoppelten Fußbodenheizung — demonstriert an einem bewohnten Einfamilienhaus

Zur Steigerung der sommerlichen thermischen Behaglichkeit wurde in einem Ende 2008 in Berlin fertig gestellten Einfamilienhaus eine Sohlplattenrückkühlung an eine Fußbodenheizung angeschlossen. Hierbei ist die vorhandene Fußbodenheizung an ein in der Fundamentplatte verlegtes Rohrsystem gekoppelt. Die beschriebene experimentelle Untersuchung zeigt, dass die niedrige Temperatur des Erdreichs ausreicht, um mit Vorlauftemperaturen von ca. 22 °C die Raumlufttemperaturen während der Sommermonate auf ein behagliches Niveau von unter 26 °C zu begrenzen. Für den Betrieb der Umwälzpumpe ist nur ein geringfügiger Energieaufwand nötig. Diese Methode der passiven Kühlung über Sohlplatte zeichnet sich daher als besonders energieeffiziente Möglichkeit einer Gebäudekühlung aus. Nachdem nur vergleichsweise geringe Mehrinvestitionen für die Verlegung von Rohrmaterial und einigen hydraulischen Komponenten nötig sind, ist zu erwarten, dass diese Technologie auch im Wohnungsbau künftig stärker zum Tragen kommt. Cooling capacity of an underfloor heating system coupled to the base slab of an occupied single‐family home. To improve summer thermal comfort, a base‐slab recooling system was coupled to the underfloor heating system of a Berlin single‐family home built in late 2008. In the present case, the existing underfloor heat ing system is connected to a pipe network laid inside the foundation slab. The reported experimental investigation proves the low soil temperature to be sufficient to prevent summer indoor‐air temperatures from exceeding a comfortable level of 26 °C, using flow temperatures of approximately 22 °C. The energy demand for operating the circulation pump is only marginal, which is why this passive cooling method using a thermally activated ground slab is considered a particularly energy‐efficient solution for cooling a building. Given that only minor additional costs are required for laying the pipe network, for materials and some hydraulic components, this technology is expected to be applied more frequently in residential buildings, too.     

Untersuchungen zum Einsatz von Verdunstungskühlung innerhalb eines hybriden Lüftungskonzeptes

Das Aufrechterhalten der thermischen Behaglichkeit bei hochsommerlichen Verhältnissen stellt auch in neuen Gebäuden mit hohem Niveau der Wärmedämmung ohne Nutzung energieintensiver RLT‐Anlagen eine Herausforderung dar. Trotz moderater innerer Gewinne und Schutz vor solaren Gewinnen bleibt oft eine die thermische Behaglichkeit beeinträchtigende Kühllast bestehen. Dieser Artikel beschreibt rechnerische Untersuchungen zu einem hybriden Lüftungskonzept für einen Raum, in dem die Kühlung von einem direkten Verdunstungskühler bereitgestellt wird. Die Forschungsarbeiten werden im Rahmen eines DST‐DFG‐Kooperations‐Programmes mit dem Indian Institute of Technology Roorkee durchgeführt, wo ein Prototyp eines solchen Kühlers vermessen und optimiert wird. Dieser Artikel analysiert die Anwendungsmöglichkeiten von direkter Verdunstungskühlung im Niedrigenergiehaus und im schlecht gedämmten Gebäude unter mitteleuropäischen sommerlichen Wetterverhältnissen. Der Einfluss der Verschattung, der Lüftungsstrategie, der Wärmedämmung und der Feuchtehaushalt der Außenwände werden diskutiert. Als Ergebnis lässt sich ausweisen, dass in Kombination mit einer passenden Lüftungsstrategie und ausreichender Verschattung der direkte Verdunstungskühler in der Lage ist, die thermische Behaglichkeit auf einem mit einer RLT‐Anlage vergleichbaren Niveau zu halten. Investigation and application of evaporate cooling within a hybrid ventilation scheme. It is a challenge to attain a high level of thermal comfort during the summer without using energy intensive air conditioning systems even with high insulation standards of the walls in new buildings. Despite moderate inner loads and intensive protections against solar gains a cooling load often remains that affects the thermal comfort. This paper investigates by means of computer simulation a hybrid ventilation concept where cooling is provided by a direct evaporative cooler. The research work has been carried out within a DSTDFG cooperation program with the Indian Institute of Technology Roorkee, where a prototype of such a cooler is investigated and optimised. This paper analyses the potential for use of evaporative cooler in low energy buildings and traditional buildings with lower insulation standard under Central European summer conditions. In addition, the influence of shading appliances, ventilation strategy, thermal insulation of the building and the humidity content of the outside walls is investigated. It has been found that evaporative coolers, together with a suitable ventilation strategy and sufficient shading are able to provide levels of thermal comfort comparable with those gained by mechanical air conditioning systems.     

Vergleichende Analyse der thermischen Beanspruchungs intensitäten bei normativen Raumbrandversuchen

International existieren verschiedene genormte Raumbrandprüfungen, in welchen das Brandverhalten von Wand‐ und Deckenprodukten unter realitätsnahen Einbaubedingungen untersucht wird. Die Prüfmethoden unterscheiden sich zum Teil erheblich hinsichtlich der Raumgeometrie, der Ventilationsöffnungen bzw. ‐verhältnisse sowie der Art und Leistung der verwendeten Zündquellen. Auf der Basis von Brandsimulationsrechnungen mit dem CFD‐Code FDS wurde die Intensität der resultierenden thermischen Produktbeanspruchung für ausgewählte Prüfräume vergleichend analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass zwischen den betrachteten Methoden deutliche Unterschiede bestehen, die zu inkonsistenten Produktbeurteilungen führen können. Comparative analysis of thermal exposure conditions in standard room fire tests. Various standards exist worldwide that describe room fire tests for determining the reaction to fire behaviour of wall and ceiling products under end‐use conditions. The test methods differ with respect to the room geometry, the ventilation conditions and the type and heat output of the ignition source. Numerical simulations were performed using the CFD code FDS to comparatively analyse the resulting thermal exposure conditions for selected test rooms. The simulation results exhibit considerable differences between the analysed test methods, which may lead to inconsistent product assessments.     

Zur plastischen Tragfähigkeit von Straßenbrücken in Verbundbauweise mit längsausgesteiften Stegen

Mit der Einführung der Eurocodes ist nunmehr auch bei Verbundbrücken eine gewisse Ausnutzung plastischer Querschnittstragfähigkeiten sowie plastischer Systemreserven bei mehrfeldrigen Tragwerken möglich. Dies erlaubt eine höhere Wirtschaftlichkeit gegenüber der bisher üblichen weitgehend elastischen Auslegung. Insbesondere bei bestehenden Brückentragwerken könnte damit bei Ansatz der aktuellen höheren Verkehrslasten nach Eurocode oder aber bei Brückenverbreiterungen mitunter eine aufwändige Tragwerksverstärkung entfallen oder zumindest reduziert werden. Während bei Brücken mit kürzerer Stützweite und damit meist kompakten Querschnitten die plastischen Tragreserven gut einschätzbar sind, wird in diesem Beitrag der Fokus auf mehrfeldrige Brücken mit größerer Stützweite gelegt, deren Querschnitte zusätzliche Längssteifen aufweisen und damit – unter Voraussetzung elastischer Spannungsverteilung – beulgefährdet sind. Zuerst wird die alleinige Querschnittstragfähigkeit betrachtet. Dies erfolgt unter Voraussetzung hoher Beanspruchungsanteile vor Verbund, wie sie infolge der üblichen Montage ohne Rüstung und Hilfsjoche vielfach vorliegt. Nachfolgend wird auf die Auswirkungen bei Ausnutzung der plastischen Querschnittstragfähigkeit eingegangen, welche sich in Form der Umlagerung der elastisch ermittelten Schnittkräfte bei Durchlaufträgern ergeben. Aus den Berechnungsergebnissen für ein genauer untersuchtes, bestehendes Verbundtragwerk sind gewisse Einschränkungen bei der Ausnutzung der plastischen Querschnittstragfähigkeit erkennbar. Weiterhin werden mitunter zusätzliche, über die elastische Schnittkraftberechnung hinausgehende Berechnungsschritte erforderlich. Die diesbezüglichen Hinweise für eine praktische Vorgehensweise werden dargestellt. Plastic load bearing capacity of composite highway bridges with stiffened webs. The introduction of the Eurocodes made plastic design criteria available also for composite bridges, leading to more economical solutions compared with the previously elastic design rules. Particularly for old bridges with higher actual traffic loads, strengthening should therefore be avoidable or at least be necessary to a minor extent. For bridges with smaller spans and compact cross sections, the plastic load bearing capacity is clearly identified. In this paper the focus is placed on longer bridges with higher, stiffened girders, susceptible to local buckling. In a first step, the cross section capacity in bending is studied as an isolated case, based on high preloads acting on the steel girder only, due to the common assembling procedure without framework. In a second step, the effects on the whole structure are studied, because utilising the plastic section capacity leads to a redistribution of internal forces. Based on the comprehensive study of an old, actual strengthened composite bridge, some limitations for plastic design are noticed. Moreover, plastic design sometimes needs additional global analysis. Details of practical recommendations are given.     

Energieeinsparpotential eines Passivhauses unter Berücksichtigung von Wetterprognosen

Innovative Regelungen in Gebäuden können beachtliche Energieeinsparungen zur Folge haben. Besonderes Augenmerk ist hierbei auf Gebäude gelegt, die in einem gesteigerten Maße von ihrer Umwelt thermisch entkoppelt sind: dazu wird ein nach Passivhausstandard gebautes, real existierendes Bürogebäude modelliert, das Modell mit Monitoring‐Daten validiert und simuliert. Anhand der Simulationen mit der Simulationsumgebung TRNSYS und der Hinzunahme von gemessenen Wetterdaten werden mögliche Energieeinsparpotentiale erkannt und ausgewertet. In dieser Betrachtung, die den Zeitraum eines kompletten Jahres (Zeitraum 2009/2010) beinhaltet, liegt der Fokus auf Energieeinsparungen, die durch intelligentes Heizen und Kühlen des Gebäudes erzielt werden können. Potential for saving energy in a Passivhaus building, taking into account weather forecasts. Innovative controls in buildings can lead to remarkable energy savings. The main focus of this paper is on buildings that are highly thermally insulated from their environment: the model is based on an existing building that was built to Passivhaus standard, and then validated with monitoring data and simulated. By adding actual, measured weather data in the simulations (which were done in the TRNSYS simulation environment) potential energy savings are identified and evaluated. In this analysis, which covers a full year (2009/2010), we concentrate on energy savings in the building’s heating and cooling systems.     

Zur Entwicklung und zum Einsatz des Liquid‐V‐Dampers zur Tilgung von vertikalen Brückenschwingungen – Teil 1 – Mechanische Grundlagen und Wirkungsweise

Die Kenntnis über das dynamische Verhalten von Bauwerken gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dies trifft insbesondere auf Brücken zu, die durch den Einsatz von hochfesten Materialien sowie komplexen Computerprogrammen schlanker und leichter denn je geplant und gebaut werden können. Dadurch wird die Berücksichtigung dynamischer Kriterien in der Planung und Bauwerksüberwachung unumgänglich. Eine Möglichkeit der Minimierung der auftretenden Schwingungen ist die Anordnung von Schwingungsdämpfern am Tragwerk, die bis dato hauptsächlich in der Form des Masse‐Feder‐Dämpfers realisiert wurden. In diesem zweiteiligen Beitrag soll der alternative Einsatz von Flüssigkeitsschwingungstilgern in V‐Form (Liquid‐V‐Damper) gegen vertikale Brückenschwingungen speziell für den Einsatz bei Fachwerkbrücken dargestellt werden. Dabei wird der Schwerpunkt im vorliegenden ersten Teil des Beitrages auf die mechanische Wirkungsweise gelegt, der zweite Teil beschäftigt sich mit den zugehörigen Versuchen sowie der praktischen Anwendung der Tilger. Auf die baupraktische Einsatzmöglichkeit der Liquid‐V‐Damper wird dabei ein besonderes Augenmerk gelegt. Development and use of the Liquid‐V‐Damper against vertical bridge vibrations. Part 1 – Mechanical basics and mode of operation. Nowadays the acknowledgment of the dynamical behavior of structures, in special for bridges, becomes more and more important because of the use of high strength materials and complex computer simulations. Due to that reasons these structures can be planed and build more slender and light weighted than ever. So the consideration of dynamical effects in the planning phase and the structure monitoring is indispensable. One possible method to reduce structural vibrations is the arrangement of dampers on the structure. The common type of dampers is the mass‐spring damper. In this two‐part paper the alternative use of tuned liquid column damper (Liquid‐V‐Damper) against vertical bridge vibrations in special designed for truss bridges is presented. The presented first part concerns with the mechanical mode of operation, the second part will present the corresponding testing series and the practical tuning of the damper. Special attention is paid to the practical use of the Liquid‐V‐Damper.     

Entwicklung von Planungs‐ und Sanierungskonzepten für den russischen Wohnungsbau

Für russische Wohnhäuser der ersten Periode des industriellen Bauens, so genannte “Chruschtschowki”, besteht ein hoher Sanierungsbedarf. Im Rahmen der nachfolgenden Betrachtungen werden mögliche energetische Sanierungsmaßnahmen für diese typischen russischen Wohngebäude vorgestellt. Das Ziel ist eine Angleichung an das europäische Wärmeschutzniveau und die Erstellung eines einheitlichen Berechnungsansatzes. Als Grundlage für die durchgeführten Berechnungen dienten die deutschen Vorschriften der aktuellen Energieeinsparverordnung in Kombination mit der Berechnungsnorm DIN 4108‐6 sowie DIN 4701‐10. Hierzu wurden die klimatischen Bedingungen Russlands am Beispiel der russischen Metropole Sankt Petersburg in die Berechnungen integriert. Die Datenanalyse des Bestandsgebäudes eröffnet eine große Bandbreite an Möglichkeiten zur Erhöhung der Energieeffizienz. So wird unter anderem im Zuge der Berechnungen festgestellt, dass durch relativ kostengünstige Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeschutzes eine bedeutende Verringerung des Endenergiebedarfs erreicht werden kann. Es werden weiterhin mögliche Sanierungsvarianten unter Einbeziehung verschiedener Materialien und Heizungsanlagen vorgestellt. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Zukunft russischer Wohnhäuser wie der hier dargestellten Typenserie 1‐507 alles andere als aussichtslos ist, wie oft vermutet wird. Sie können im Gegenteil durchaus als komfortabler und funktionaler Wohnraum dienen. Auch die Verwendung regenerativer Energiequellen wie der Solarenergie ist unter den Bedingungen einer nördlich gelegenen Stadt wie Sankt Petersburg realisierbar. Die durchgeführten Berechnungen zeigen, dass eine Sanierung der russischen Wohnbauten der ersten Periode des industriellen Bauens durchaus lohnenswert sein kann, insbesondere wenn man die Entwicklung der Energiepreise betrachtet. In seiner energieeffizientesten Form (“Passivhaus”) bringt eine Sanierung eine Reduzierung des Endenergiebedarfs von bis zu 90 % im Vergleich zum Bestandsgebäude mit sich. Development of plans for retrofitting Russian housing, taking into account European competences for increasing its energy efficiency. There are various options for retrofitting Russian prefabricated concrete‐slab buildings of the first period of industrial construction, so‐called khrushchevki, with the object of bringing them up to European standards of thermal insulation technology. In the given case the basis of calculations was the German EnEV 2007 (Building Energy Conservation Ordinance). The analysis of sample building data opened up a large range of possibilities for increasing its energy efficiency. For instance, calculations ascertained that relatively inexpensive methods of enhancing a building’s thermal insulation can achieve a significant decrease in energy consumption for heating. In addition, this thesis analyzes possible variations of retrofitting and reconstruction using different types of materials and heating systems. The results clearly illustrate that residential houses e.g. type series 1‐507 have a future as comfortable and functional housing space. In fact, and in contrast to common prejudices, their “fate” is far from hopeless. Even the climatic circumstances of a northern city such as St. Petersburg do not preclude the use of alternative energy sources such as solar energy. On the contrary, it is a conceivable method of support for heating systems. In summary, the investigations show that the retrofitting of prefabricated concrete‐slab buildings of the first construction period is a sensible project, especially when taking into account the further development of fossil energy prices. In its most sophisticated form (the passive house), retrofitting will result in energy savings of up to 90 %.     

Beitrag zur Lösung des Problems der Algenbildung auf Außenwänden mit Wärmedämmverbundsystemen (WDVS)

Das hygrothermische Verhalten der Gebäudehülle wird durch das periodische Umgebungsklima sowie durch die bauphysikalischen Eigenschaften der Außenbauteile bestimmt. Ein sehr häufig vorkommendes Phänomen bei nachträglich wärmegedämmten Fassaden ist die Ansiedlung von Algen und die damit verbundene Beeinträchtigung der neuen Außenoberflächen. Das gleiche Problem wird auch bei gut gedämmten Neubauten beobachtet. Bisherige Untersuchungen haben ergeben, dass dieses Phänomen auf eine erhöhte Außenputzfeuchte zurückzuführen ist: die Kondensation von Wasserdampf in porösen Materialstrukturen, ausgelöst durch die nächtliche Abkühlung der Außenoberfläche infolge des Strahlungsaustausches zwischen Gebäudehülle und Himmel. Um das eventuell entstehende Problem schon in der Planungsphase erkennen zu können, sollte die zuverlässige rechnerische Modellierung der Wärmeübertragung entwickelt werden. Dabei sollten sowohl die zeitlich veränderliche Wärmeleitung und Konvektion durch einzelne Materialschichten als auch die kurzwellige (von der Sonne durch die Atmosphäre zur Erdoberfläche) und langwellige (zurück in die Atmosphäre) Strahlung detailliert einbezogen sein. Diese Wärmeübertragungsprozesse müssen gekoppelt mit der Feuchteaufnahme, ‐verteilung in den Poren (in verschiedenen Phasen) und ‐abgabe berücksichtigt werden, obwohl einige der genannten Prozesse nicht in einfacher Weise durch deterministische mathematische Beziehungen charakterisiert werden können. Die quantitative Analyse der Strahlung ist für alle Hersteller der äußeren Materialschichten von großer Bedeutung, weil die Abnahme des Emissionsgrades die Kondensation von Wasserdampf in den Oberflächenschichten vermeiden kann. Dieser Beitrag stellt auch einen relativ einfachen und physikalisch transparenten Ansatz für die Simulation der genannten Prozesse dar, der anhand von mehreren Messungen validiert wurde. Das Modell basiert auf der Finite‐Differenzen‐Methode, ausgedrückt in Form einer nichtstationären Differentialgleichung der Wärmeleitung, gekoppelt mit bestimmten Finite‐Volumen‐Verfahren für die Bewertung des Feuchtigkeitsgehaltes unter Berücksichtigung der nichttrivialen Umgebungsrandbedingungen, die Konvektion und Strahlung umfassen. Contribution to the solution of the algae problem on façades insulated with external thermal insulation compound systems (ETICS). Heat and moisture propagation in building envelopes is determined both by quasi‐periodic climatic conditions from external environment and by thermal and moisture insulation and accumulation properties of particular material layers. A typical phenomenon of reconstruction of dwelling structures is the presence of algae and the consequent surface degradation of new insulation systems. The same can be observed in case of new building objects, even of those with insulation layers made from special advanced materials. Several research works try to analyze this problem to detect its sources and possible solutions. The present study shows that the population of algae is conditioned by the elevated moisture content. This phenomenon can be explained by the night condensation of vapour from porous material structures, driven by the thermal radiation from building envelopes to the clear sky. To detect such potential difficulties just at the projection stage, to be able to search for alternative remedies, the reliable computational modelling of heat transfer should include both time‐variable heat conduction and convection through particular constructive and insulation layers and short‐wave (from sun through atmosphere to earth surface) and long‐wave (back to atmosphere) radiation supplements, These heat transfer processes have to be coupled with the input, propagation and output of moisture in various phases in pores, although some of above sketched processes cannot be easily characterized by deterministic mathematical relations. The quantitative analysis of radiation components is significant for all producers of outer surface coatings because the decrease of emissivity is able to avoid condensation of vapour at all. The paper presents a relatively simple and physically transparent approach to the simulation of all sketched processes, validated by extensive measurements. The models based on the finite difference method applied to a non‐stationary differential equation of heat conduction, coupled with certain finite volume scheme for the evaluation of moisture content, and supplied with boundary conditions involving convection and radiation.     

Dynamische Zustandsbewertung einer Verbundbrücke: Beobachtung äußerer und nichtlinearer Einflüsse auf die modalen Eigenschaften

Bei der Anwendung dynamischer Untersuchungsmethoden zur Zustandsbewertung von Ingenieurbauwerken aus Stahl‐ und Spannbeton sowie Verbundbau spielen Veränderungen von Rand‐ und Umweltbedingungen auf die modalen Parameter eine wesentliche Rolle. Während man diese im Laborexperiment weitest gehend überwachen bzw. ausschließen kann, sind sie bei in‐situ Versuchen nur schwer zu kontrollieren. Am Beispiel einer Verbundbrücke soll demonstriert werden, welche Größenordnung die Veränderung von Randbedingungen (z. B. Veränderung von anregenden Kräften) und Umwelteinflüsse (z. B. Temperatur) auf die dynamischen Parameter einer in‐situ Struktur haben können. Die Größenordnung dieser Veränderungen wird mit Veränderungen, die aus wirklichen Strukturschäden resultieren können, verglichen und bewertet. Dynamic Condition Assessment of a Composite Bridge: Investigation of External and Nonlinear Influences on the Modal Properties Using dynamic investigation methods to assess the state of civil constructions like reinforced and prestressed concrete structures as well as composite structures, changes in boundary conditions and environmental influences play a decisive role. Under laboratory conditions it is possible to control respectively to exclude these influences but it is not always possible to control and to exclude them when testing in‐situ. By means of dynamic measurements which are conducted on a composite bridge, possible changes in dynamic properties resulting from changes in the amplitude of the excitation force and resulting from changes in the temperature conditions are demonstrated. The dimension of these changes is compared with changes in modal properties resulting from real structural defects and structural damages.     

Optimierung der thermischen Behaglichkeit im Bestand

In der modernen Welt ist der Mensch es z. B. vom Auto her gewohnt, das Innenraumklima selbst einzustellen, und zwar individuell für Fahrer und Beifahrer. Schwieriger wird dies in unseren Gebäuden, die im Normalfall nur beheizt werden können. Für den Sommer ist die Klimaanlage eine Ausnahme, auch wenn die Verbreitung immer weiter voranschreitet. Kommen mehrere Personen in einem Raum zusammen, ist ein individuelles Wohlfühlklima nicht möglich. Hier kommt es darauf an, den Anteil der unzufriedenen Nutzer möglichst gering zu halten. Im nachfolgenden Beitrag werden die Ursachen für die Beschwerden zweier Großraumbüros untersucht und Vorschläge zur Verbesserung vorgestellt. Optimisation of thermal comfort in existing buildings. In the modern world people are used to being able to adjust the interior climate, for example with individual settings for car drivers and passengers. The situation is more difficult in buildings which normally only have a heating system without provision for cooling. In moderate climates air‐conditioning systems are an exception, although they are becoming increasingly popular. If several people come together in a room, it is impossible to adjust the conditions to the satisfaction of all occupants. The key is to keep the ratio of dissatisfied users to a minimum. This paper examines the reasons for complaints in two open‐plan offices and offers suggestions for improvements.     

Energy efficiency of double skin façades: an approach to Brazilian climates

The heat gains and daylight transmitted through windows directly influence the building's energy demand. High performance façades, when correctly specified, produce a great potential of energy savings by using daylight efficiently and controlling heat gains and/or losses. In Brazil, the lack of natural ventilation associated with large glass areas in office buildings exhibits substandard results concerning energy efficiency. This article demonstrates an approach to highly ventilated double skin façades in Brazil, investigating the potential of natural ventilation in accordance with the local climate. Applying the Light Design and Ideal Window Area methodologies, window areas as a function of different types of high performance glass are thermally simulated in the program EnergyPlus. The simulations are run for 10 cities in Brazil, in one of those cities, Curitiba (–25° 25′ 40′′), the annual results of hourly simulations demonstrate the building energy demand as a function of window area, glass type, room ratio and size. The results concerning the energy efficiency perspective only illustrated that double skin façades could be applied for southern regions in Brazil and under certain criteria. Energieeffizienz von doppelschaligen Fassaden: eine Annäherung an brasilianische Klimabedingungen. Die ansteigende Temperatur und das Tageslicht, das ungehindert durch die Fenster tritt, beeinflussen den Energiehaushalt eines Gebäudes. Moderne Hochleistungsfassaden bieten bei korrekter Auslegung ein großes Potential zur Energieeinsparung, indem sie Tageslichtnutzung zulassen und solare Gewinne kontrollieren. Das Fehlen von natürlichen Belüftungsmöglichkeiten und der hohe Anteil großflächiger Glasfassaden in Bürogebäuden führen in Brasilien zu unterdurchschnittlicher Energieeffizienz. Der Beitrag beschäftigt sich mit belüfteten doppelschaligen Fassaden in Brasilien, indem das Potential von natürlicher Belüftung unter den lokalen Klimabedingungen geprüft wird. In Anlehnung an Regeln der Kunstlichtplanung und zur Ermittlung der idealen Fensterfläche werden unterschiedliche Fensterflächenanteile unter Variation der Glasqualitäten in dem Programm EnergyPlus thermisch simuliert. Die Simulationen wurden für 10 brasilianische Städte durchgeführt. Die Jahresergebnisse der stündlichen Simulationen für Curitiba (–25° 25′ 40′′) zeigen, dass der Energiebedarf des Gebäudes von der Größe der Fensterflächen, der Art der Glasscheiben sowie der Raumproportion und ‐größe abhängt. Die Ergebnisse bezüglich der Einschätzung der Energieeffizienz weisen ferner darauf hin, dass doppelschalige Fassaden in südlichen Regionen von Brasilien und vergleichbaren Klimaten unter bestimmten Bedingungen angewendet werden können.     

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.     

Risikobasierter Ansatz zur Bewertung der Robustheit von Bauwerken

Ziel des vorliegenden Beitrages ist es, einen Überblick über die aktuellen Entwicklungen im Bereich der Bewertung und der Quantifizierung der Robustheit von Bauwerken zu geben. In diesem Sinne ist eine Zusammenstellung von Ansätzen und Ergebnissen aktueller Veröffentlichungen enthalten. Ein umfassender entscheidungstheoretischer Ansatz für die Berechnung und das Management der Robustheit wird vorgestellt. Dieser beinhaltet die Definition der Robustheit als eine Qualität eines Systems, welches das Bauwerk beinhaltet, d. h. eine Qualität, die auf der Grundlage einer Risikoanalyse bewertet werden kann. Um eine umfassende Risikoanalyse zu ermöglichen, wird ein szenarienbasierter Modellansatz eingeführt, welcher zwei Arten von Konsequenzen im System unterscheidet: direkte Konsequenzen (in Verbindung mit Schäden einzelner Komponenten des Systems) und indirekte Konsequenzen (in Verbindung mit einem Versagen des Systems). Die Definition des Systems spielt deshalb für die Risikoanalyse eine wichtige Rolle, und es wird diskutiert, wie die Robustheit für verschiedene Definitionen zu unterschiedlichen Ergebnissen und Erkenntnissen im Sinne des Managements der Integrität des Bauwerks im gesamten Lebenszyklus unter Berücksichtigung seiner Funktionalität führt. Weiterhin werden wichtige Aspekte der Standardisierung der Robustheitsanalyse, wie auch Anforderungen an die Robustheit, diskutiert und Vorschläge zum Umgang mit diesen Aspekten unterbreitet. Auf der Grundlage der vorgestellten Ansätze zur Berechnung der Robustheit eines Bauwerks wird beschrieben, wie Entscheidungen in Bezug auf den Entwurf, die Zustandsbewertung, auf Inspektionen und Wartung sowie in Bezug auf die Überwachung von Bauwerken, in Hinblick auf das Management der Risiken in allen Phasen des Lebenszyklus, optimiert werden können. Risk based approach for the assessment of the robustness of structures. The present paper serves as an overview of recent developments by the author on the assessment and quantification of robustness of structures; the paper aims in this sense not to present any new results but collects approaches and results from previous publications. A general decision theoretical approach to the assessment and management of structural robustness is outlined. Structural robustness is introduced as a quality of the system comprising the structure; a quality which can be assessed by means of risk assessments. To facilitate an appropriate risk assessment for structural systems a scenario based model approach is outlined which differentiates consequences into two different types: direct (related to damages to individual components) and indirect (related to collapse failures). The definition of the “structural system” thus plays an important role in the risk assessment and it is discussed how the robustness assessed according to different definitions of the structural system will lead to different results and insights of relevance for the lifecycle management of the structural integrity. Furthermore, the important aspects of standardization of robustness assessments as well as requirements to robustness are discussed and suggestions for the treatment of these are proposed. Based on the presented approach to the assessment of structural robustness it is outlined how decisions on design, condition assessment, inspection and maintenance as well as monitoring activities for structures can be optimized for the purpose of managing structural risks over all phases of the life‐cycle of structures.     

Berechnung des Abhebens von verankerten Flüssigkeitsbehältern unter Erdbebeneinwirkung

Die horizontalen Einwirkungen aus Erdbeben können bei Flüssigkeitsbehältern zum Abheben des Bodenblechs führen. Damit verbunden sind zusätzliche Axialkräfte in der gegenüberliegenden Behälterwand und Verformungen des Bodenblechs. Insbesondere die Verdrehungen des Bodenblechs sind oftmals kritisch für den Nachweis der Erdbebensicherheit. Verankerungen können das Abheben wirkungsvoll begrenzen, wobei z. B. Ringfundamente oder Mikropfähle die in den Ankerbolzen auftretenden Zugkräfte aufnehmen. Im vorliegenden Beitrag wird die Wirkung der Verankerung am Gesamtsystem von Behälterwand und Bodenblech untersucht. Dieses wird mit ebenen FE‐Schalenelementen unter Berücksichtigung nichtlinearen Materialverhaltens für die Ankerbolzen modelliert. Der dynamische Druck des verankerten Behälters aus horizontaler Erdbebenanregung wird inkrementell als statische Last aufgebracht und mit dem statischen und dynamischen Flüssigkeitsdruck aus vertikaler Erdbebenanregung überlagert. In jedem Lastschritt wird iterativ das Abheben des Tankbodens berechnet. Die Ergebnisse werden den Angaben des EC 8, Teil 4, Anhang A gegenübergestellt. Uplift analyses of anchored liquid storage tanks under earthquake excitation. Horizontal earthquake excitations may lead to an uplift of the base plate of liquid storage tanks. The uplift results in additional axial forces on the opposite site of the tank wall and rotational deformations in the base plate. Especially the rotation of the tank base plate is critical for the verification of the earthquake resistance. Anchorages can effectively restrict the uplift while ring foundation or piles bear the appearing tensile forces. In the present paper the effect of anchorages is analysed on the overall system of tank wall and base plate. The tank shell is modelled by flat shell elements. The anchor bolts are considered as spring elements with nonlinear material behaviour. The dynamic pressure of the anchored tank due to horizontal excitation is applied incrementally to the tank shell. The uplift and the material nonlinearity are considered by iterative calculations at every load step. The results are compared with the specifications of EC 8, part 4, appendix A.     

Tragverhalten an Gurtdickensprüngen geschweißter Biegeträger

Gurtdickensprünge und Zusatzlamellen zählen zu den stahlbaulichen Standardausführungen zur Anpassung der Biegetragfähigkeit von Brückenträgern an veränderliche Momentenverläufe. Durch die lokale Steifigkeitsänderung im Querschnitt entstehen an solchen Verstärkungen Zusatzbeanspruchungen, welche durch die klassische baustatische Behandlung nach der Balkentheorie nicht im Detail erfasst werden können. Im Beitrag wird zum einen gezeigt, dass in den Halsnähten zwischen Steg und Gurtblech hohe lokale Schubbeanspruchungen sowie Querbeanspruchungen – auch in Stegebene – entstehen. Zum anderen entstehen in den Gurtblechen zufolge der Exzentrizität der Gurte lokale Biegebeanspruchungen in erheblicher Größe. Des Weiteren hat dies im Druckbereich auch Auswirkungen auf die lokale Beulstabilität. Obwohl diese Effekte grundsätzlich seit langem bekannt sind, hat deren korrekte Erfassung in den letzten Jahren zufolge der Tendenz zur Verwendung deutlich dickerer und breiterer Gurtbleche – bei gleichzeitiger Zunahme der verwendeten Stahlfestigkeiten und Ausnutzungsgrade – stark an Bedeutung gewonnen. Da jedoch die genannten Effekte in der praktischen baustatischen Berechnung üblicherweise nur pauschal erfasst werden können, wird anhand konkreter Beispiele ein realistisches Bild der tatsächlich auftretenden Beanspruchungen und der sich daraus ergebenden Konsequenzen auf die Gebrauchstauglichkeit, Ermüdungs‐ und Beulfestigkeit der Bauteile gegeben. Load carrying behaviour at flange thickness transitions in welded girders. Flange thickness transitions and cover plates constitute two of the most common constructional details used to adapt the flexural resistance of bridge girders to variable bending moment distributions. The sudden change of stiffness distribution within the cross‐section at these details causes additional local forces and stresses that cannot be properly taken into account by classical beam‐theory calculations. The study presented in this paper shows that on the one hand, the longitudinal welds between web and flange plates are subjected to additional longitudinal shear forces, as well as transversal forces in the web plate's plane. On the other hand, the usually eccentric disposition of the flange plates causes considerable local bending stresses in these plates. The latter also affects the buckling strength of the flange plates when these are loaded in compression. Although these effects have been known in principle for some time, their correct inclusion in practical calculations has gained significance over the last years due to the prevailing trend towards the use of thicker plates of higher steel grades designed with higher stress utilizations. The inclusion of these effects in current design procedures is, at present, treated with rather pragmatic approaches; therefore, the objective of this paper is to illustrate the realistic stresses in flange thickness transitions by means of case studies, and to discuss the effects that these stresses have on the serviceability, fatigue and buckling strength of the girders.     

Ein Modell zur Abschätzung der Tausetzung und der Kompressionseigenschaften aufgetauter Böden

Es wird ein Berechnungsmodell zur quantitativen Bestimmung der Netto‐Tausetzung sowie der Druck‐Porenzahl‐Beziehung bei Weiterbelastung nach dem Auftauen feinkörniger Böden vorgestellt. Der Ansatz berücksichtigt die Inhomogenität der Veränderung des Bodengefüges infolge der Vereisung. Hierbei wird der Boden vereinfachend in zwei Bereiche unterteilt. Nach dem Modell wird ein Teil des Bodens mit einer rechnerischen Auflast, die der Summe der komprimierenden Vorgänge während der Bodenvereisung äquivalent ist, verdichtet. Für den übrigen Teil wird angenommen, dass er von der Vereisung unbeeinflusst bleibt. Die mit Hilfe des Modells ermittelten Berechnungsergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Der große Vorteil des Berechnungsansatzes liegt darin, dass eine zuverlässige Prognose der Kompressionseigenschaften des aufgetauten Bodens allein mit den Ergebnissen von Standard‐Laborversuchen möglich ist. A model for the estimation of the thaw‐settlements and the compressibility properties of thawed soils. A mathematical model is presented which allows the quantitative calculation of the net thaw‐settlement as well as of the pressure‐void ratio relation at continued loading of fine grained soils after thawing. The approach takes into account the inhomogeneity of the change of the soil fabric caused by freezing. For this purpose, the soil is being divided into two parts, which is a simplification of the real situation. In the model, one part of the soil is being compacted with a load that is equivalent to the sum of all compressing processes during ground freezing. For the rest of the soil, it is assumed that it remains unaffected by freezing. The calculation results obtained by the model show good agreement with the results of laboratory tests. The great advantage of the introduced approach is that the compression properties of thawed soil can be reliably predicted just based on the results of standard laboratory tests.     

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.     

Ausstattung von Klassenräumen mit Einrichtungen zum Temperieren,Lüften und Belichten

Fast alle Schulräume werden in Deutschland ausschließlich über Fenster mit Außenluft versorgt. Messungen haben gezeigt, dass die Belüftung der Schulräume vor allem in der kalten Jahreszeit unzureichend ist. Hybride Lüftungssysteme mit einer automatischen Unterstützung der Fensterlüftung könnten eine Möglichkeit bieten, die Häufigkeit schlechter Innenluftqualität in Schulen zu minimieren. Hierbei ist die Anordnung der dezentralen Zuluftöffnungen in den Fassaden eine der kritischsten Systemkomponenten, und es besteht gerade bei Schulgebäuden weiterer Untersuchungs‐ und Optimierungsbedarf. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Verbund‐ projektes “Heizenergieeinsparung, thermische Behaglichkeit und gute Luftqualität in Schulgebäuden durch hybride Lüftungstechnik” werden die Eigenschaften von Klassenräumen im Landkreis Miesbach bezüglich der Temperierung, Belüftung und Belichtung aufgenommen. Die Begehung von 22 Schulen im Landkreis Miesbach ermöglicht für einen gesamten Landkreis die Bewertung der baulichen Gegebenheiten, welche die raumklimatischen Verhältnisse entscheidend beeinflussen. Die Belegungsdichte der Klassenräume im Landkreis Miesbach ist eher als normal bis gering einzustufen, da in ca. 80 % der Räume der Mindestwert von 2 m² je Schüler eingehalten wird. 88 % der untersuchten Räume weisen eine mittlere bis hohe thermische Masse auf. Die meisten Klassenräume im Landkreis haben einen Fensterflächenanteil von 30 bis 60 %. Etwa 50 % der Räume besitzen keinen Sonnenschutz. Der bauliche sommerliche Wärmeschutz muss überwiegend als unzureichend bewertet werden. Etwa zwei Drittel der Klassenräume weisen eine gute bis mittlere Tageslichtversorgung auf. Die Klassenräume werden über Fenster belüftet. Die Fassaden besitzen vielfältige Öffnungsmöglichkeiten, wobei Drehkippflügel und Schwingflügel am häufigsten angetroffen werden. Equipment of classrooms with systems for maintaining temperature, for ventilation and for illumination. Most German classrooms are not equipped with mechanical ventilation systems. Natural ventilation controlled by the occupants opening the windows is the main way to provide fresh air. Measurements in real classrooms showed that the ventilation especially in cold season is insufficient. Hydrid ventilation systems with automatically controlled windows might reduce the prevalence of high carbon dioxide concentration inside the classrooms. The position of the air supply opening in the façade is the most sensible design task. There is still a big potential for optimization. In the frame of the project “Energy saving, thermal comfort and good indoor air quality in schools using hybrid ventilation” supported by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Technology the properties of classrooms in the county Miesbach/Germany regarding thermal comfort, ventilation and illumination were collected. In sum data of 106 classrooms in 22 schools were collected. The density of persons is normal to low. Approximately 80% of the rooms offer at least 2 or more square meter per pupil. 88% of the investigated classrooms are built with medium or high thermal mass. The glazed facade area is between 30 and 60% for most of the classrooms. 50% of the classrooms do not have any sun shading device. The summer overheating protection by passive means is insufficient. Two thirds of the classrooms offer a good to acceptable daylight condition. The classrooms are ventilated by opening the windows. There are different opening types of the windows and several combinations of the types in the façades. Tilt and turn windows and the horizontally pivot‐hung type are the most prevalent types.     

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.