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.     

Dickblechclinchen – Innovatives Fügeverfahren für den Stahlbau

Das auch unter dem Begriff Durchsetzfügen bekannte Clinchen ist eine Fügetechnologie, welche sich vor allem in den Bereichen der Automobilindustrie sowie der Geräte‐ und Elektroindustrie etabliert hat. Eine Vielzahl von Untersuchungen und Beispielen aus der industriellen Anwendung belegt die Universalität und Wirtschaftlichkeit, eine einfache Handhabbarkeit sowie die gute Automatisierbarkeit dieses Fügeverfahrens. Der Einsatz des Clinchens beschränkt sich zurzeit jedoch hauptsächlich auf den Feinblechbereich in den genannten Industriezweigen. Untersuchungen am Fraunhofer IWU zeigen, dass dieses hochgradig ökonomische und innovative Verfahren auch eingesetzt werden kann, wenn deutlich größere Blechdicken zu verbinden sind. Ein Einsatz im Schienenfahrzeug‐, Schiff‐ und Stahlbau sowie dem Nutzfahrzeugbau ist in naher Zukunft vorstellbar und aufgrund der besonderen Eigenschaften der Technologie erstrebenswert. Die Übertragung des Know‐how aus dem automobiltypischen Blechdickenbereich auf die Materialstärken im Stahlbau sowie die numerisch unterstützte Systementwicklung sind Schwerpunkte von Forschungsaktivitäten am Fraunhofer IWU. Clinching of thick sheets – innovative joining technology for steelwork. Clinching, which is mechanical joining by upsetting, is above all established in the area of automotive industry as well as in appliance and electronic industry. The universality, economic efficiency, an easy manageability and the fact that the process is good automatable are documented by several research activities. Currently the process application is mainly restrained on connections of thin sheets in the named sector of industry. Investigations done by Fraunhofer IWU point out the possibility of using this high efficiency and innovative joining technology even for applications with distinctly higher sheet thicknesses. An adoption of clinching is conceivable and desirable for railway vehicle or truck manufacturing and shipbuilding as well as for steelwork generally in near future due to its specific technology characteristics. The transfer of knowledge from the thin sheet automotive sector to the sheet thicknesses used in steelwork as well as the numerical supported system development are focus of the research activities at Fraunhofer IWU.     

Zum Einfluss baulicher Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB‐Eisenbahnbrücken

Die Weiterentwicklung des europäischen Eisenbahnnetzes ist unter anderem durch den vermehrten Einsatz von Hochgeschwindigkeitszügen und eine signifikante Anhebung der Betriebsgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Um die Auswirkungen von Zugbeanspruchungen auf Eisenbahnbrücken im Rahmen einer dynamischen Bemessung hinreichend genau vorhersagen zu können, ist die Kenntnis der wesentlichen dynamischen Systemeigenschaften erforderlich. Nur so können bemessungsrelevante Resonanzeffekte, die bei hohen Geschwindigkeiten grundsätzlich nicht auszuschließen sind, rechnerisch auf zuverlässige Weise erfasst werden. Messungen insbesondere an WIB‐Überbauten zeigen jedoch, dass eine realistische rechnerische Abschätzung von Brückeneigenfrequenzen schwierig ist. Tatsächliche und rechnerische Werte weichen in vielen Fällen erheblich voneinander ab. Als ursächlich wird hierfür unter anderem eine unzureichende Berücksichtigung baulicher Randbedingungen angesehen, die teilweise erheblichen Einfluss auf die Steifigkeits‐ und Dämpfungseigenschaften der Brücke haben. Der vorliegende erste Teil des Beitrags führt in die Problematik ein und präsentiert Ergebnisse aus Messuntersuchungen an WIB‐Eisenbahnbrücken, die von der Deutschen Bahn durchgeführt wurden. Im folgenden zweiten Teil des Beitrags wird auf Grundlage numerischer Studien gezeigt, wie sich einzelne bauliche Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB‐Überbauten auswirken. Abschließend werden die Untersuchungsergebnisse dazu genutzt, Vorschläge für eine genauere dynamische Bemessung abzuleiten. On the influence of constructional elements on the dynamic behaviour of filler beam railway bridges — Part 1: Introduction and measurements on filler beam bridges. Enhancements of the European railway system are amongst other things mainly characterized by increased usage of high speed trains and significantly raised operating speeds. To predict effects of train loading on railway bridges for a dynamic design adequately, knowledge of the system’s significant dynamic characteristics is required. Only this ensures that resonance effects, which generally cannot be screened out for high speeds, can be covered analytically by reliable values. Measurements especially carried out on filler beam bridges have shown though that a realistic estimation of eigenfrequencies of bridges is difficult. Actual values and measured ones differ significantly in many cases. In particular non‐consideration of structural constraints is seen as reason for this, given that they have an immense effect on a bridge’s stiffness and damping characteristics. This first part of the contribution gives a brief survey on the dynamics of high‐speed railway bridges. Furthermore results from measurements on filler beam railway decks are presented. In the forthcoming second part of the contribution the influence of particular constructional elements on the dynamic behaviour of filler beam bridges is investigated, supported by numerical studies. Finally the main outcomes are discussed and proposals for an improved dynamic bridge design are made.     

Erste Erfahrungen mit Mehrfamilien‐Passivhäusern in monolithischer Bauweise

Zum ersten Mal entstehen Mehrfamilien‐Wohnhäuser mit den höchsten Ansprüchen an Energieeffizienz und Nachhaltigkeit in monolithischer Bauweise. Die Gebäude werden in Frankfurt a. M. von der ABG Frankfurt Holding im nördlichen Stadtteil Kalbach Süd errichtet. Der architektonische Entwurf stammt aus dem Büro Scheffler und Partner, die statische, energetische und bauphysikalische Planung des Projekts hat das Frankfurter Büro Bollinger + Grohmann Ingenieure übernommen, die gebäudetechnische Planung das Büro Baumgartner. Es handelt sich dabei um die ersten monolithisch gebauten Mehrfamilien‐Passivhäuser. Sie markieren daher einen Meilenstein für die einschalige monolithische Bauweise in Verbindung mit einem anspruchsvollen energetischen Standard. Die Herausforderung für die Planer bestand in der Berücksichtigung verschiedener Aspekte und deren integrale Einbindung in die Planung. Ausgehend von vorgegebenen Parametern der städtischen Bebauungspläne, von Planungs‐ und Bedarfsvorgaben, wie z. B. Anzahl der erforderlichen Wohneinheiten, Aspekten der Familienfreundlichkeit und Barrierefreiheit, sollte eine Bauweise mit höchsten Ansprüchen an Ressourceneffizienz im weitesten Sinne realisiert werden. Dabei waren nicht nur Aspekte der Energieeffizienz von zentraler Bedeutung. Auch die Kosteneffizienz bei einer den gesamten Lebenszyklus umfassenden Betrachtung sollte die langfristige ökonomische Nachhaltigkeit für Nutzer und Eigentümer sichern. Gleichzeitig ergeben sich aus den hier gesammelten Erfahrungen wichtige Fragen für Forschung und Entwicklung im Bereich des nachhaltigen Bauens, das keinesfalls im Konflikt mit der Kreativität und der Vielfalt der Baukultur steht. First experiences with apartment buildings built in monolithic construction to Passivhaus standard. For the first time, apartment buildings are being built in monolithic construction that meet the most exacting requirements regarding energy efficiency and sustainability. These buildings are under construction in the northern district of Kalbach Süd in Frankfurt (Main) by ABG Frankfurt Holding. The architectural design was produced by Scheffler and Partners, the Frankfurt structural engineers Bollinger + Grohmann undertook the structural design including building physics and energy related aspects, and Baumgartner Engineers took charge of M&E design. These apartment buildings are the first monolithically constructed apartment buildings built to Passivhaus standard. They therefore represent a milestone in single‐skin monolithic construction in connection with an exacting energy standard. The challenge for architects and engineers was to consider a range of different aspects and accommodate them in the design. In addition to given parameters such as the urban development plan, client requirements such as the number of apartments, aspects of family living and barrier‐free standards, the briefing called for the highest construction standard in terms of efficient use of resources in the widest sense. This meant that the emphasis was not only on energy efficiency. Cost efficiency throughout the entire lifecycle of the building was equally as important in order to ensure long term economic sustainability for users and owners. The experience gained on this project will also provide answers to important questions regarding research and development in sustainable building, which is not in any conflict with the creativity and diversity of our architectural culture.     

Zum Einfluss baulicher Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB‐Eisenbahnbrücken

Die Weiterentwicklung des europäischen Eisenbahnnetzes ist unter anderem durch den vermehrten Einsatz von Hochgeschwindigkeitszügen und eine signifikante Anhebung der Betriebsgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Um die Auswirkungen von Zugbeanspruchungen auf Eisenbahnbrücken im Rahmen einer dynamischen Bemessung hinreichend genau vorhersagen zu können, ist die Kenntnis der wesentlichen dynamischen Systemeigenschaften erforderlich. Nur so können bemessungsrelevante Resonanzeffekte, die bei hohen Geschwindigkeiten grundsätzlich nicht auszuschließen sind, rechnerisch auf zuverlässige Weise erfasst werden. Messungen insbesondere an WIB‐Überbauten zeigen jedoch, dass eine realistische rechnerische Abschätzung von Brückeneigenfrequenzen schwierig ist. Tatsächliche und rechnerische Werte weichen in vielen Fällen erheblich voneinander ab. Als ursächlich wird hierfür unter anderem eine unzureichende Berücksichtigung baulicher Randbedingungen angesehen, die teilweise erheblichen Einfluss auf die Steifigkeits‐ und Dämpfungseigenschaften der Brücke haben. Der erste Teil des Beitrags führte in die Problematik ein und präsentierte Ergebnisse aus Messuntersuchungen an WIB‐Brücken. Im vorliegenden zweiten Teil des Beitrags wird nun auf Grundlage numerischer Studien gezeigt, wie sich bauliche Randbedingungen auf das dynamische Verhalten von WIB‐Überbauten auswirken. Abschließend werden die Untersuchungsergebnisse dazu genutzt, Vorschläge für eine genauere dynamische Bemessung abzuleiten. On the influence of constructional elements on the dynamic behaviour of filler beam railway bridges. Enhancements of the European railway system are amongst other things mainly characterized by increased usage of high speed trains and significantly raised operating speeds. To predict effects of train loading on railway bridges for a dynamic design adequately, knowledge of the system’s significant dynamic characteristics is required. Only this ensures that resonance effects, which generally cannot be screened out for high speeds, can be covered analytically by reliable values. Measurements especially carried out on filler beam bridges have shown though that a realistic estimation of eigenfrequencies of bridges is difficult. Actual values and measured ones differ significantly in many cases. In particular non‐consideration of structural constraints is seen as reason for this, given that they have an immense effect on a bridge’s stiffness and damping characteristics. The first part of the contribution gave a brief survey on the dynamics of high‐speed railway bridges. Furthermore results from measurements on filler beam railway decks were presented. In this second part of the contribution the influence of particular constructional elements on the dynamic behaviour of filler beam bridges is investigated, supported by numerical studies. Finally the main outcomes are discussed and proposals for an improved dynamic bridge design are made.     

Traglast von Verbandsstäben aus Hohlprofilen mit quasi‐zentrischem Knotenblechanschluss

m Hoch‐ und Industriebau werden oft Fachwerk‐ bzw. Verbandsstäbe mit Hohlprofilquerschnitten ausgeführt, die an beiden Stabenden eingeschlitzte Knotenbleche aufweisen. Diese schließen mittels einer einfachen Baustellenschweiß‐ bzw. Schraubverbindung an ebene – nicht weiter ausgesteifte – Bleche der weiterführenden Konstruktion an. Dabei wird in der Praxis mitunter ein quasi‐zentrischer Anschluss ausgeführt, indem das eingeschlitzte Knotenblech zur Stabachse eine Exzentrizität im Ausmaß der halben Knotenblechdicke aufweist, so dass die Stabexzentrizität minimiert wird. Nachfolgend wird das Tragverhalten und die Traglast derartiger Verbandsstäbe unter Zug‐ und Drucknormalkräften anhand numerischer Traglastberechnungen analysiert und mit einfachen Berechnungsmodellen der Ingenieurpraxis, auf Basis des Eurocodes – mit und ohne Erfassung der Exzentrizitäten, verglichen. Die geometrischen Parameter und Randbedingungen werden derart variiert, dass übliche praktische Fälle abgedeckt sind. Trotz der beschränkten Anzahl an untersuchten Einzelstabausführungen ist durch gezielte Variation der Haupteinflussgrößen eine allgemeine Beurteilung des Tragverhaltens möglich. Darauf aufbauend wird ein verbessertes Ingenieurmodell vorgestellt, das eine zutreffende Bemessung erlaubt. Load bearing capacity of bracing members with almost centric joints. In building constructions for bracing members often hollow sections are used with slotted gusset plates at the ends. These plates are attached to unstiffened plates of the adjacent construction. In practice sometimes a nearly centred joint is designed, by arranging the slotted gusset plate with an eccentricity of half the plate thickness to the member axis, so that the member eccentricity is minimised. In the paper the load carrying behaviour of such members under compression and tension is discussed based on numerical analyses with nonlinear FE models including imperfections. The results are also compared with simplified engineering models, based on the Eurocode. The geometric parameters and boundary conditions are varied in such a way that practical cases are covered and that the typical load carrying behaviour can be seen. Based on these results an improved engineering model for the design is represented.     

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.     

Der neue DIN‐Fachbericht 4108‐8 Vermeidung von Schimmelwachstum in Wohngebäuden

Zunehmend wird wieder von Problemen des Schimmelpilzwachstums in Wohngebäuden berichtet. Die Baukonstruktion eines Wohngebäudes muss die Voraussetzung schaffen, dass bei üblicher, bestimmungsgemäßer Nutzung der Räume die Innenoberflächen der Bauteile so warm und trocken bleiben, dass Schimmelpilzwachstum vermieden wird. Gegebenenfalls sind entsprechende Wärmedämm‐ und anlagentechnische Sanierungsmaßnahmen erforderlich. Gleichzeitig muß das Nutzerverhalten den baukonstruktiven und nutzungsbedingten Gegebenheiten angepasst sein. Dazu gehört eine gleichmäßige Beheizung, eine ausreichende Belüftung, eine weitgehend ungehinderte Luftzirkulation durch entsprechende Möblierung, sowie eine nicht ungemessen hohe Feuchtefreisetzung. Der DIN‐Fachbericht 4108‐8 “Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden — Teil 8: Vermeidung von Schimmelwachstum in Wohngebäuden” fasst die Einflussfaktoren Baukonstruktion, Heizung, Lüftung, Nutzung/Nutzerverhalten zu einer ganzheitlichen Betrachtung zusammen. Er hilft bei der Klärung von Ursachen und bei der Einleitung von Gegenmaßnahmen. Avoiding mould growth in dwellings — the new report on DIN 4108‐8. Problems with mould growth in residential buildings are an increasing occurrence. The construction of a dwelling house should ensure that, provided rooms are used in accordance with the design purpose, the internal surfaces of the building components stay sufficiently warm and dry so that mould growth is avoid ed. Where this is not the case, remedial measures have to be undertaken, such as installing additional insulation and/or ventilation/ heating devices. But it is equally important that the behaviour of the users of a building is appropriate for the design of the building. This includes evenly distributed space heating, adequate ventilation, air circulation that is largely unobstructed by furniture, and that moisture release in the dwelling is not excessive. The report on DIN 4108‐8 ‘Thermal insulation and conserving energy in buildings — Part 8: Avoiding mould growth in dwellings’ takes a comprehensive look at all relevant factors, such as construction details, heating and ventilation systems, and user behaviour. The report helps to clarify the causes of problems and makes suggestions for remedial actions.     

Neubau der ÖBB‐Donaubrücke Tulln – ein innovatives Brückentragwerk

104 Jahre nach ihrer Erbauung wurde die Eisenbahnbrücke der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) über die Donau in Tulln einer Generalsanierung unterzogen. Als Tragsystem der neuen Brücke wurde eine Fachwerkverbundkonstruktion mit untenliegender Fahrbahn gewählt. Nach nur 16 Monaten Bauzeit konnte mit der Inbetriebnahme im Oktober 2009 ein Stück europäische Brückenbaugeschichte geschrieben werden. Für die Demontage der bestehenden Tragwerke und die Montage des neuen Tragwerks inklusive der Ausrüstung für den Bahnbetrieb stand eine 7‐monatige Streckensperre zur Verfügung. Die Herstellung des Ersatzneubaus des 440 m langen Brückentragwerks unter möglichst geringer Beeinträchtigung des Straßen‐, Bahn‐ und Schiffsverkehrs stellte höchste Anforderungen an den Bauherrn, die Planer und die ARGE Donaubrücke Tulln. Errection of the ÖBB‐Donaubrücke Tulln – an innovative bridge construction. 104 years after being built, the railway bridge of the Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) across the Danube at Tulln, Austria, has been completely refurbished. The new bridge is based on a composite over‐deck truss construction. After a construction time of only 16 months, commissioning in October 2009 was the last step in a project that will make European bridge construction history. For the dismantling of the existing supporting structure and the assembly of the new one incl. the railway facilities, the railway line was blocked for 7 months. Replacing the 400‐m long supporting structure while keeping the effects on road, rail and shipping traffic to the lowest possible level put highest demands on owner, planners and ARGE Donaubrücke Tulln.     

Vergleich und Beurteilung unterschiedlicher Lastmodelle für die Ermittlung der dynamischen Antwort von Zugüberfahrten über Brücken bei Hochgeschwindigkeitsverkehr

Drei analytische Lastmodelle für die Berechnung von Zugüberfahrten über Brücken werden mathematisch formuliert: eine Folge von Einzelkräften, eine Folge von Punkmassen und eine Folge von Mehrkörpersystemen. Die Kopplung der Lastmodelle an das Brückenmodell erfolgt mechanisch exakt im Rahmen einer ebenen Betrachtung des Problems. Die Diskretisierung der Bewegungsgleichungen erfolgt mit Hilfe der Methode von Ritz und Galerkin (Modalanalyse). Am Beispiel einer leichten Balkenbrücke aus Stahl unter der Einwirkung eines Hochgeschwindigkeitszuges werden die drei Lastmodelle untereinander verglichen. An diesem Beispiel wird deutlich, dass mit Lastmodellen aus Einzelkräften oder Punktmassen die Schwingungsantwort von leichten Brücken stark überschätzt werden kann. Bereits die Verwendung von einfachen Mehrkörpersystemen mit nur wenigen Freiheitsgraden führt zu wesentlich genaueren Ergebnissen, insbesondere bei resonanzgefährdeten Brücken. Wege für eine effiziente Berechnung stehen unter Anwendung der Modalanalyse offen und werden ebenso diskutiert wie die Beurteilung der Resonanzgefahr. Comparison and assessment of various load models to calculate train crossings of bridges at high speed. Three analytical load models to calculate train crossings over bridges are mathematically formulated: a series of concentrated forces, a series of concentrated masses and a series of multi‐body systems. The coupling of the load models to the bridge model is carried out within the scope of a two‐dimensional treatment of the problem and without simplifications. The differential equations of motion are discretised using the method of Ritz and Galerkin (modal analysis). The three load models are compared with each other using the example of a lightweight beam bridge made of steel which is loaded by a high‐speed train. The example shows clearly that the dynamic response of a lightweight bridge is overestimated if the load models consist of concentrated forces or masses. Even the use of simple multi‐body systems with only few degrees of freedom lead to considerably more accurate results. This finding particularly holds true for bridges which are at risk of resonance effects. Options for an efficient calculation are available with modal analysis and are discussed. The assessment of resonance effects is also treated.     

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.     

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.     

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.     

Bauphysikalische, ökologische und ökonomische Bewertung von geförderten Sanierungskonzepten in Wien

In diesem Beitrag wird die Nachhaltigkeit von Gebäudesanierungen untersucht, wobei die Reduzierung des Energieverbrauchs das oberste Ziel ist, was mit bis zu 80 % erreicht werden kann. Während in anderen Großstädten Europas das Konzept der Flächensanierung praktiziert wurde und wird, wird in Wien die “sanfte Sanierung” propagiert und auch gefördert. Die Stadt Wien hat dafür verschiedene Sanierungskonzepte bei der Hand. In dieser Untersuchung werden die verschiedenen geförderten Sanierungskonzepte anhand eines realen Beispiels gezeigt und rechnerisch überprüft. Ein Vergleich der verschiedenen Konzepte beleuchtet die einzelnen Punkte der Sanierung: Energieeffizienz, Sanierungskosten, Belastung für den Eigentümer bzw. Mieter der Wohnungen und Belastung für den Fördergeber (Land Wien). Die Ergebnisse ausgeführter Sanierungskonzepte brachten folgende Erkenntnisse bzw. Problemstellungen: – die Sanierungsmaßnahmen kommen hauptsächlich den Mietern zugute, während der Kostenträger (Eigentümer) nur die Wertsteigerung als Nutzen hat; – mangelnde Bereitschaft der Bewohner zur Sanierung; – erhebliche Mehrkosten für Passivhaustechnik; – zu geringe höchstzulässige Gesamtsanierungskosten. Evaluation of retrofitting concepts and municipal sponsoring in Vienna. Major energy efficiency improvements can be achieved via building stock retrofit. While in some major cities in Europe, mostly large‐area building retrofit measures have been targeted; in Vienna a gradual thermal improvement of the building stock has been practiced. Thereby, a number of different instruments and programs have been promoted by the regional government. In the present contribution, a number of such programs are compared and evaluated based on the demonstrative case of a concrete example. Thereby, multiple related issues were addressed: energy efficiency, retrofit expenses, burden for the building owners and tenants, and burden for the funding agency (Municipal of Vienna). The results suggest: – the main beneficiary of retrofit programs are typically the tenants. The landlords benefit indirectly due to the appreciation of property value; – there is a certain lack of willingness on the side of the occupants toward thermal building retrofit measures; – achieving passive house standard in the course of retrofit measures cause significant additional costs; – permissible (fundable) maximum total retrofit expenses has been set too low.     

Heidebroek‐Bau der Technischen Universität Dresden – Ertüchtigung und Instandsetzung des vorgespannten Faltwerkdachs

Die Dachkonstruktion des als Experimentalbau errichteten Heidebroek‐Baus ist ein Faltwerk, das aus zusammengespannten Stahlbetonfertigteilsegmenten besteht. Aufgrund von Unzulänglichkeiten in der konstruktiven Durchbildung und jahrelanger, durch eine desolate Abdichtung verursachte Durchfeuchtung des Faltwerks musste von einer bereits eingetretenen Korrosion der Spannglieder ausgegangen werden, so dass die Standsicherheit des Dachs in Frage stand. Zunächst durch temporäre Gerüsttürme als Hilfsunterstützung gesichert, wurde die Dachkonstruktion schließlich ertüchtigt und instandgesetzt. Dabei erfolgten die Baumaßnahmen bei laufendem Betrieb in der von der TU Dresden genutzten Versuchshalle. Zur Sicherstellung der ausreichenden Tragfähigkeit im Fall des Versagens einzelner Spannglieder sowie zur Verhinderung eines plötzlichen Gesamtversagens des Faltwerks durch progressiven Kollaps wurden Stahllamellen auf der Dachinnenfläche aufgeklebt und an den Stirnseiten der Falten endverankert. Die Bemessung der Lamellen einschließlich ihrer Verankerung und der Nachweis der vorhandenen Dachkonstruktion erfolgten unter Berücksichtigung der gemäß den gültigen Normen anzusetzenden Einwirkungen. Dieser Beitrag geht auf die Konzeption der Tragwerksertüchtigung sowie auf die diesbezüglichen, nach vier hauptsächlichen Grenzzuständen differenzierten Standsicherheitsnachweise ein und fasst die wesentlichen Aspekte der Ausschreibung, Vergabe und Ausführung der Sanierungsarbeiten sowie der Überwachung der Ertüchtigungs‐ und Instandsetzungsmaßnahmen zusammen. Heidebroek‐Bau at the Dresden University of Technology – Improvement and repair of the prestressed folded‐plate roof. The roof construction of the Heidebroek‐Bau, erected as an experimental building, is a folded‐plate construction comprising tied precast segments of reinforced concrete. Given the inadequacies in the design and the dampness which had penetrated the structure over a period of many years as a result of the desolate condition of the seals, it was to be assumed that the prestressing members already displayed corrosion and that the structural safety of the roof was thus to be questioned. Initially secured by way of temporary staging towers as auxiliary support, the roof construction was subsequently strengthened and repaired. The building work was accomplished without interrupting the use of the research hall by the Dresden University of Technology. To ensure a sufficient load‐bearing strength should individual prestressing members fail, and to eliminate the risk of a sudden total failure with progressive collapse of the folded‐plate construction, steel lamellae were attached to the inner surface of the roof and anchored at the ends of the folds. The dimensioning of the lamellae, including their anchoring and verification of the existing roof construction, took into account all potential influences specified by the applicable technical standards. This paper discusses the concept for improvement of the supporting structure and the corresponding differentiated verification of stability on the basis of four essential critical states, and provides an overview of key aspects of the tender process, execution of the improvement work and monitoring of the implemented strengthening and repair measures.     

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.     

Verbund‐Opferzellen zum Schutz von Stützen bei Nahdetonation

Lasttragende Bauteile wie Erdgeschossstützen von Hochhäusern oder Brückenpfeiler, ausgeführt als Verbundkonstruktion, gewährleisten vermehrten Schutz bei Nahdetonation. Opferzellen, die um den Stützenquerschnitt konstruiert sind, schaffen zusätzliche Sicherheit. Sie bewirken, dass die Anströmfläche der Stütze erst bei relativ hohen reflektierten Drücken einreißt – meist an der Geländeoberkante. Untersucht wird, welcher Opferzellenquerschnitt durch Druckverteilung und Energieabsorption einen effektiven Schutz der abgeschirmten lasttragenden Stütze bietet. Außerdem wird der Frage nachgegangen, inwieweit der schichtweise alternierende Aufbau von verformbarem Material geringerer Dichte und von massigem Material hoher Steifigkeit im Opferzellenquerschnitt durch Impedanzfehlanpassung die lasttragende Stütze schützt. Impedanzfehlanpassung führt zu einer verstärkten Reflexion der Schockwellen und dadurch zu einer Reduzierung ihrer Transmission. Eine Schockwellenreflektion innerhalb des Opferzellenquerschnitts wirkt sich folglich günstig auf die zu schützende Konstruktion aus. Die Ergebnisse veranschaulichen das Schutzpotential und die Wirksamkeit von Opferzellen im Vergleich zu anderen Schutzmaßnahmen wie der Verwendung nachgiebiger Auflagerbedingungen und der Variation des Stützenquerschnitts. Die in Vergleichsberechnungen gewonnenen Erkenntnisse werden in einem Bemessungsdiagramm zusammengefasst. Die Resttragfähigkeit der Stütze wird als Indikator für die Effektivität der untersuchten Schutztechnologien vorgestellt. Multi‐layer composite sacrificial cells to protect columns against close‐standoff blast. Composite cross sections have been shown to be generally well suited for constructing explosion‐resistant load‐bearing structural members, such as columns or bridge piers, with high protection demands. Composite sacrificial cells which are built around the member's cross section enhance the protection of columns and piers exposed to high dynamic loading. Due to energy absorption outside the load‐carrying cross section the reflected pressure and induced shock wave are significantly reduced. It is investigated whether the layer sequence of two distinct materials (a less dense, more deformable material versus one that is denser and stiffer) is measurably different for protection of other material layers including the structural member's inner core. We also study whether shock wave reflection and reduced transmission of shock waves, achieved with specific material layering in sacrificial cells, practically result in significant protection of the underlying structure. We also compare the protection potential of sacrificial cells with the effectiveness of other protective measures such as the variation of boundary condition and the cross section design. The paper finalizes with an elaborate design diagram which summarizes the residual axial capacity of columns after the blast event and the extent of damage when using sacrificial cells.     

CLIBOT – ein seilkletternder Roboter zur Bauwerksinspektion

CLIBOT ist ein kletternder Roboter, der für die Inspektion/Überwachung von Bauwerks‐Oberflächen unter besonderer Berücksichtigung der Denkmalpflege entwickelt wurde. Damit können große Einsparpotentiale realisiert und eine Reduzierung von für Menschen gefährliche Arbeit erreicht werden. Eine Vielzahl von Kletter‐Methoden wurde diskutiert und bewertet. Seilklettern mit Klauen erwies sich als bester Kompromiss zwischen Sicherheit und Funktionalität. Klettern mit dünnem Seil oder Draht als Steighilfe stellte sich als besonders geeignet für den Denkmalpflegebereich heraus. Der Roboter wurde aus sog. Off‐the‐shelf‐Komponenten (handelsübliche Standardbauteile) aufgebaut und ist autark. Speziell konzipierte Klauen ermöglichen eine ausreichende Haftung an vertikalen Seilen. Ein minimierter Kletter‐Algorithmus ermöglicht eine einfache Konstruktion der Antriebseinheit. Eine digitale Kamera, die an der Unterseite des Roboters befestigt ist, ermöglicht das Senden eines Video‐Signals für die visuelle Unterstützung. Das Auslösen der Kamera und die Auf‐ und Abwärtsbewegungen des Roboters werden per Funk ferngesteuert. Umfangreiche Tests im praktischen Einsatz zeigten die gute Eignung des gewählten Konzepts. CLIBOT – a rope climbing robot for building surface inspection. CLIBOT is a rope climbing robot developed for inspection tasks on building surfaces under special consideration of conservatory purposes. Great savings potential and a reduction of hazardous human work can be achieved. A variety of climbing methods is discussed and evaluated. Rope climbing by claws turned out as the best compromise between safety and functionality and a thin rope or wire as climbing aid is modest enough for conservatory requirements.The robot was constructed from off‐the‐shelf components and is selfsupported. Special designed claws enable a sufficient grip at vertical ropes. A minimized climbing algorithm allows a simple construction of the drive unit. A digital camera attached at the bottom of the robot is sending a video signal for visual assistance. Triggering the camera and the up and down movement of the robot is remotely controlled by radio link. Extensive tests in practical environements showed the good suitability of that chosen concept.     

Sicherheit gegen Rissentstehung in statisch beanspruchten Stahlkonstruktionen

Die in den im Stahlbau zur Vermeidung von Sprödbrüchen neu eingeführten bruchmechanischen Regeln getroffene Voraussetzung, dass bereits ein Riss in der Konstruktion vorhanden ist, gibt für vorwiegend ruhend beanspruchte Konstruktionen die Veranlassung, ein Kriterium für die Rissenstehung zu suchen. Dieses ergibt sich als Kriterium für die erste Hauptdehnung, wobei deren kritischer Wert von Parametern abhängt, die den Bruch beeinflussen. Dazu werden bei Variation dieser Parameter Versuche und nichtlineare FE‐Berechnungen durchgeführt. Variiert werden: die Form und die Dicke der Versuchskörper, die Festigkeit und die Kerbschlagzähigkeit des Stahls sowie die Prüftemperatur. Es werden sowohl ungeschweißte wie auch geschweißte Proben untersucht. Daraus ergibt sich eine von der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes, der Temperatur, der Bauteildicke sowie der Festigkeit und der Zähigkeit des Stahls abhängige Funktion für den Wert der ersten Hauptdehnung, bei der die Rissentstehung zu erwarten ist. Mit der Mehrachsigkeit werden auch die Schweißeigenspannungen erfasst. Safety against crack initiation in steel structures without fatigue loading. When fracture mechanics is used for selection of steels to avoid brittle fracture the indispensable crack assumption the question of crack initiation arises with structures without fatigue loading. The crack initiation is assumed to depend upon the maximum principal strain, where the critical value of the principal strain is a function of several determining factors. Experimental tests and accompanying nonlinear FE‐analyses are performed with unwelded and welded specimens with variation of: shape, thickness of specimens, strength and Charpy impact toughness of the steel and test temperature. The consideration of triaxiality of the stress state and maximum principal strain obtained from the nonlinear FE‐analysis for the load at crack initiation in the test together with the other test parameters leads to a criterion for crack initiation which gives the critical maximum principal strain as a function of triaxiality, temperature, strength, impact toughness and thickness of the material. This includes the effect of welding residual stresses by their effect on the triaxiality of the stress state.