Querschnittsberechnung von Stahlbetonstäben

Viele Tragwerke aus Stahlbeton lassen sich mit Hilfe von Stabelementen berechnen. Die Einfachheit der Anwendung eines Stabelements steht im Kontrast zur Komplexität der mechanischen und mathematischen Formulierung. Die gesamte Information des realen Stabkontinuums muss auf ein linienförmiges Element projiziert werden. Dies ist insbesondere bei einer nichtlinearen Berechnung eine große Herausforderung. Gilt die Erfassung der geometrischen Nichtlinearität als gelöst, existiert für die materielle Nichtlinearität bislang noch kein etabliertes, allgemein anerkanntes Verfahren für räumliche Stäbe aus Stahlbeton. Die materielle Nichtlinearität wird im Rahmen der Stabtheorie auf Querschnittsebene erfasst. In einer Querschnittsberechnung wird der Spannungs‐ und Dehnungszustand korrespondierend zu den Schnittgrößen bestimmt. Die Grundidee des hybriden Modells ist die Aufteilung des Querschnitts in Bereiche mit einaxialen bzw. zweiaxialen Spannungs‐ und Dehnungszuständen. Der zweiaxiale Bereich wird durch Membranelemente modelliert und beteiligt sich am Abtrag aller sechs Schnittgrößen, während sich der einaxiale auf die beiden Biegemomente und die Normalkraft beschränkt. Cross‐Sectional Analysis of Reinforced Concrete Beams – A Hybrid Approach Many reinforced concrete structures can be analysed using beam elements. The simplicity of the application of beam elements contrasts the complexity of the mechanical and mathematical formulation. The whole information of the beam continuum has to be projected on an one‐dimensional element. Especially regarding a non‐linear analysis this is a big challenge. The geometrical nonlinearity is regarded as solved. Considering material nonlinearity, however, no established, generally accepted model for spatial reinforced concrete beam elements exists so far. Within beam theory, the material nonlinearity is captured on cross‐sectional level. In a cross‐sectional analysis, the stress and strain state corresponding to sectional forces is determined. The hybrid approach is based on dividing the cross section in areas with uniaxial and biaxial stress and strain states. The biaxial area is modelled by membrane elements and contributes to all six sectional forces. The uniaxial area is restricted to normal force and bending moments.     

Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonträgern

Auch nach vielen Jahren teilweise intensiver Forschung wird die Bestimmung des Querkraftwiderstands von Stahl‐ und Spannbetonträgern in der Fachwelt weiterhin rege diskutiert. Dies liegt einerseits an der Komplexität des Problems, andererseits an der Weiterentwicklung von Bauweisen und Baustoffen sowie den veränderten Fragestellungen. Im vorliegenden Beitrag wird ein dreistufiges Vorgehen präsentiert, das die Bemessung, die Überprüfung und die detaillierte rechnerische Beurteilung von Bauteilen unter Querkrafteinwirkung umfasst. Im Zentrum stehen die Verallgemeinerten Spannungsfelder, die sich insbesondere für die vertiefte Untersuchung und die generelle Überprüfung eines Tragwerks eignen. Die entsprechenden Festlegungen sind durch Versuche gut abgesichert und so aufbereitet, dass sie sich für die Anwendung in der Ingenieurpraxis eignen. Die auf dieser Grundlage ermittelten Querkraftwiderstände werden denjenigen nach den Normen DIN 1045‐1 und Eurocode 2 gegenübergestellt. Es zeigt sich, dass eine Überprüfung der Normvorschriften angebracht wäre. Generell soll der Beitrag zur Diskussion und weiteren Entwicklung der nationalen und internationalen Normen beitragen. Shear Strength of Structural Concrete Beams Even after many years of in‐depth research, the determination of shear strength of structural concrete beams is still in discussion. The reasons for that are, on the one hand, the complexity of the problem and, on the other hand, further developments of structural systems and building materials as well as new questions arising from the evaluation of existing structures. In this contribution a structured procedure including design, detailed analysis and elaborate assessment of structural concrete members subjected to shear is presented. The focus is on the Generalized Stress Field Approach which particularly enables a profound analysis and a general evaluation of a structure. The corresponding definitions are well supported by experimental results and arranged to be easily used in practical application. Shear strengths calculated on the basis of this method are compared to results according to DIN 1045‐1 and Eurocode 2. It shows that a re‐evaluation of the code provisions is well appropriate. Basically, this contribution may be regarded as a contribution to the discussion about the development of national and international codes.     

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.     

Sandwichtürme für Windenergieanlagen mit höherfesten Stahl‐ und Verbundwerkstoffen

Die Leistung und Größe von Windenergieanlagen sind in den letzten Jahren immer weiter angestiegen. Damit erhöhen sich zwangsläufig auch die Anforderungen an die Turmkonstruktionen, die bislang als Stahlrohr‐, Spannbeton‐ oder Fachwerkturm zur Ausführung kommen. Als Alternative dazu wurden am Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover mehrere Varianten von Sandwichtürmen untersucht, mit denen die Schalenstabilität und Tragfähigkeit gesteigert werden können. Eine einzelne Sandwichturmsektion besteht dabei grundsätzlich aus einem stählernen Innen‐ und Außenrohr, die durch einen dazwischen liegenden Verbundwerkstoff vollflächig ausgesteift werden. Als Verbundwerkstoffe können pumpfähige Elastomere, Epoxidharze und Vergussmörtel dienen, die vom Turmfuß aufsteigend in den Ringspalt gefüllt werden. Das Sandwichsegment ist dabei nur im unteren Turmbereich vorgesehen, in dem hohe Schalenstabilitäten und große Blechdicken erforderlich sind. Mit dem alternativen Einsatz einer zweischaligen Turmkonstruktion aus dünneren sowie höherfesteren Stahlrohren reduziert sich deutlich das Schweißvolumen gegenüber der herkömmlichen Bauweise. Für Turmsektionen mit einem Durchmesser D > 4,3 m wird ein neues Fertigungskonzept mit längsorientierten Teilschalen beschrieben, womit nicht nur das Transportproblem über Land gelöst, sondern auch die Anzahl der Rundnähte minimiert werden kann. Ferner wird eine neue Verbindungstechnik zwischen den Turmsektionen vorgestellt, die ohne ermüdungskritische und aufwändig geschraubte Ringflansche auskommt. Sandwichtowers for wind turbines with high strength steel and core materials. The performance and the dimensions of wind energy converters have been increased significantly within the last few years. Thus, the requirements on tower constructions will also increase following the development of bigger turbines. Usually tubular steel and pre‐stressed concrete towers are chosen as support structures for wind turbines. The structural design of tubular steel towers is mainly driven by ultimate and fatigue limit state. Especially shell buckling leads to large dimensions and thicknesses for the steel sections. Therefore, a new kind of tower, the so called sandwichtower, has been developed as an alternative solution with the aim of increasing the shell stability. The sandwich tower consists of an inner and outer steel shell which are bonded together with a core material between them. That works as a full space stiffener. As a result of the investigations a combination of steel and sandwich‐section is favoured where the sandwich is only planned for the lower tower section to get higher stability simultaneously with thinner shells. Therefore, the effective welding time can be decreased when the shells are made of high strength steels. Especially for tower sections with D > 4.3 m a new fabrication concept with longitudinal partial shells is developed to offer the transportation onshore and to minimize the number of critical circumferential welds. Furthermore, a new kind of connection between the tower sections is presented without bolted ring flanges.     

Bauwerk‐Boden‐Interaktion bei lagenweise hinterfüllten Stahlwellblechdurchlässen

Vorgeformte Stahlwellblechplatten werden vor Ort zu Rohren, Bögen oder Stahlwellblechdurchlässen zusammengebaut. Für die Tragfähigkeit der flexiblen, erdverlegten Stahlrohre ist die seitliche Bettung durch die Hinterfüllung mit Bodenmaterial ausschlaggebend. Während dem Hinterfüllen entwickelt sich der Erddruck, der zuerst alleine durch den kleinen Biegewiderstand des Rohres getragen werden muss. Die Biegemomentverteilung bleibt nach dem Verfüllen bis zum Rohrscheitel nahezu “eingefroren”. Der vorliegende Beitrag behandelt die Bauwerk‐Boden‐Interaktion anhand von numerischen Berechnungen mit dem Ziel, den Hinterfüllvorgang so zu gestalten, dass die Biegemomente klein bleiben. Soil‐structure interaction of structural plate steel underpasses backfilled in layers. Curved corrugated steel plates are field assembled into pipes, arches, underpasses and other shapes. The lateral bedding that is responsible for the load bearing capacity of the flexible, earth embedded steel pipe is provided only by way of backfilling with soil material. The earth pressure that develops by backfilling must be solely born at first by the small bending resistance of the pipe. The bending moments remain nearly “frozen” after backfilling up to the top. This paper deals with the soil‐structure interaction. This is shown by means of numerical calculations with FLAC as to how the steel conduit should be backfilled so that the bending moments remain small.     

Pioneering hypar thin shell concrete roofs in the 1930s

The paper explores the conditions of emergence and first applications of thin hypar concrete shells. They appeared in France in the 1930s in the context of building hangars for aircraft and roofs for workshops at air or naval bases. Two French engineers were mainly involved in the development of this form: BERNARD LAFFAILLE , who began designing conoid shells in 1927 but actually never got the opportunity to build concrete hypars, and FERNAND AIMOND , who established the membrane theory of the hypar in 1932 and applied it to design and construct several HP roofs in 1934–1939. The paper describes these forgotten structures and recalls the influence of AIMOND 's contributions from the mid‐1930s on the subsequent widespread adoption of the hypar. Anfänge der dünnen Hyparschalen aus Beton in den 1930er‐Jahren Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den Bedingungen der Entstehung und den ersten Anwendungen von dünnen Hyparschalen (HP‐Schalen) aus Beton. Diese ergaben sich in den 1930er‐Jahren in Frankreich im Zusammenhang mit der Errichtung von Flugzeughangars und Werkstattdächern für Flugplätze und Flottenstützpunkte. Es waren zwei französische Ingenieure, die hauptsächlich an der Entwicklung dieser neuen Bauart beteiligt waren: BERNARD LAFFAILLE , der 1927 mit dem Entwurf von Konoidschalen begann, jedoch nie die Gelegenheit hatte, Hyparschalen aus Beton zu bauen, und FERNAND AIMOND , der 1932 die Membrantheorie der Hyparschalen etabliert hat und diese auch in den Jahren 1934‐1939 für den Entwurf und die Errichtung zahlreicher HP‐Schalendächer angewendet hat. Im Beitrag werden diese heute teilweise in Vergessenheit geratenen Konstruktionen beschrieben und daran erinnert, welchen Einfluss AIMOND seit Mitte der 1930er‐Jahre auf die anschließende verbreitete Anwendung von Hyparschalen hatte.     

Statische und kinetische Instabilitäten bei Bauwerken

In der Bautechnik treten oft, z. B. bei windbelasteten oder meerestechnischen Konstruktionen, statische oder dynamische Instabilitäten auf – manchmal auch ein Zusammenwirken (Interaktion) beider Mechanismen, wobei die Knick‐ oder Beuleigenformen durchaus verschieden von den entsprechenden Schwingungseigenformen sein können. Es soll dargestellt werden, wann die Stabilitätsuntersuchungen der Strukturen statisch durchgeführt werden dürfen und in welcher Form sich die Ergebnisse bei einer zusätzlichen dynamischen Belastung verändern. Static and dynamic instabilities of structures. In structural design e. g. under wind loads or offshore structures we often have static or dynamic instabilities sometimes also an interaction of both mechanisms, where the buckling modes may be different from the vibration modes. We want to recognize, whether the investigations may be static and how the results may alter by dynamic loads.     

Zur Tragfähigkeit von druck‐ und biegebeanspruchten C‐Profilen aus Stahl

Die Regelungen und Nachweiskonzepte in den Stahlbaunormen DIN 18800 und Eurocode 3 zur Stab‐ und Gesamtstabilität von Bauteilen unter Normalspannungen sind weitestgehend durch Untersuchungen an I‐ und Kastenprofilen hergeleitet und verifiziert worden. Eine Übertragung und Überprüfung für davon abweichende Profilformen, im Speziellen für die hier behandelten C‐Profile, existiert nicht. Es wird ein geschlossenes, durchgängiges Bemessungskonzept vorgestellt, das es erlaubt, das Tragverhalten von Bauteilen mit C‐förmigem Querschnitt ohne längsaussteifende Querschnittselemente unter Druck‐ und/oder Biegebeanspruchung wirklichkeitsnah zu beschreiben und rechnerisch zu erfassen. Dabei wird den möglichen Stabilitätsproblemen – das heißt lokalem Plattenbeulen, globaler Stabstabilität und dem Zusammenspiel beider einzelnen Stabilitätsprobleme – besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Ultimate loads of steel channel sections in compression and bending. Especially for members susceptible to global buckling or coupled instabilities the design rules in the relevant codes DIN 18800 and Eurocode 3 have been developed for and verified by research on I‐shaped or hollow sections. For deviant shapes, particularly the regarded channel sections, a transfer or verification of these design concepts does not exist. A comprehensive design method is presented, allowing to describe the load‐carrying behavior of channel‐shaped members without longitudinal stiffeners in compression and/or bending realistically. Special attention has been paid to the regards of stability problems, i.e. local and global buckling as well as a combination of both, the so‐called coupled instability.     

Stabilitätsnachweis für Tragpfähle von kombinierten Stahlspundwänden nach EC 3

Dieser Beitrag stellt die Ergebnisse einer Kurzstudie [17] vor, in der das Stabilitätsverhalten der Tragpfähle von kombinierten Stahlspundwänden untersucht wurde. Zunächst werden die neu entwickelten Bemessungsregeln für Stabstabilität nach Eurocode 3 vorgestellt. Erste Beispielberechnungen zeigen, dass mit dessen Anwendung nicht nur der Berechnungsaufwand ansteigt, sondern auch das Bemessungsniveau konservativer wird. Wird die Stützwirkung des Bodens in Form einer Federhalterung angesetzt, ist ein großer Anstieg der rechnerischen Tragfähigkeit zu verzeichnen. Für die Spezifizierung der Federsteifigkeit des Baugrunds wurden beispielhaft Momenten‐Verdrehungsbeziehungen ermittelt. Die erforderlichen Drehfedersteifigkeiten, die notwendig sind, um das alte Bemessungsniveau zu erreichen, können von den Werten für die vorhandene Steifigkeit überschritten werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Entwicklung eines Verfahrens für die effiziente Stabilitätsbemessung der Tragpfähle von Stahlspundwänden sowohl notwendig als auch möglich ist. Stability verification of H‐Sections used in combined quay walls according EC 3. This contribution presents results of a small research project [17] analysing the stability aspects of king‐piles of combined steel sheet piles. First of all the, new design rules according to Eurocode·3 are explicated. Exemplified calculations have shown that with the use these rules not only the effort for design increases but also the verification level will be more conservative. The embedment of the surrounding soil being considered in the form of a spring support, a big rise of the bearing load is observed. For the specification of the spring stiffness derived from the soil embedment exemplified moment‐rotation relations were developed. The stiffness exceeds the required rotational stiffness necessary for reaching the old level of bearing load respectively based on the existing codes. Thus, it was possible to show, that the development of a procedure for the efficient stability design of combined steel sheet pile walls is necessary as well as feasible.     

Das Druckgurtmodell für Stahlbetonbauteile

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene auf die Bemessung von Stahl‐ und Spannbetonbauteilen ausgerichtete theoretische Modelle entwickelt. Heute stehen das Zuggurtmodell, das Modell der gerissenen (Steg‐)Scheibe und das Druckgurtmodell zur Verfügung, auf deren Grundlage Verformungsverhalten und Tragwiderstände umfassend beurteilt werden können. Auf das Druckgurtmodell wird im vorliegenden Beitrag detailliert eingegangen. Es berücksichtigt die Festigkeits‐ und Duktilitätssteigerung durch eine Umschnürungsbewehrung sowie die bruchmechanisch begründete Entfestigung des Betons und die damit einhergehende Verformungslokalisierung. Auf der Grundlage neuerer Versuchsergebnisse können für die komplexen Interdependenzen zwischen diesen Effekten plausible Beziehungen angegeben werden. Die mithilfe des Druckgurtmodells gewonnenen Erkenntnisse sind für die Baupraxis von Bedeutung: Das Verhalten von auf Druck beanspruchten Bauteilen (z. B. Druckplatten von Brückenquerschnitten, Stützen) lässt sich zuverlässig erfassen; darüber hinaus ergeben sich wichtige Hinweise für die konstruktive Durchbildung. Compression Chord Model for Structural Concrete In recent years, several theoretical models have been developed with the scope on the design of reinforced and prestressed concrete structures. Today, the tension chord model, the cracked membrane model and the compression chord model are available, with which the deformation behaviour as well as ultimate loads can be determined. In the present contribution the compression chord model is discussed in detail. The model takes the increase of strength and ductility due to a confining reinforcement into account and considers the softening as well as the localisation of deformations accompanying the fracture of concrete. On the basis of new test results plausible relations for the complex interdependencies between these effects are found. The results of the compression chord model are relevant for practical applications: The behaviour of compressed members (e.g. in bridge girders or columns) can be assessed reliably; moreover, hints for the detailing of reinforcement can be deduced.     

Ein Konzept für den Traglastnachweis gurtgelagerter doppeltsymmetrischer I‐Träger unter Berücksichtigung der Profilverformung

Biegeträger aus I‐Profilen werden aus verschiedenen Gründen ohne Auflagersteifen, also nur an den Gurten gelagert, ausgeführt. Dabei wird die Stabilität gegen das Biegedrillknicken dieser Träger durch Profilverformung in den Auflagerbereichen vermindert, was die gängigen Nachweisformeln und Hilfsmittel in der Regel nicht berücksichtigen. In diesem Aufsatz werden die Ergebnisse einer Dissertation vorgestellt, in der durch analytische Betrachtungen ein Ersatzmodell zur Ermittlung der Verzweigungslast abgeleitet wurde. Durch experimentelle und numerische Traglastuntersuchungen wurden Traglastkurven entwickelt, so dass ein praxisnahes Nachweiskonzept für gurtgelagerte Träger vorgestellt werden kann. A model for the determination of the ultimate load of doublesymmetric I‐shaped beams on seats considering distortional effects. For several reasons, I‐shaped beams are built without stiffeners at the bearings, and because of this they are seated on one flange only. The stability against lateral torsional buckling of these beams is therefore reduced by distortional effects that occur close to the bearings, but this is normally not taken into account by the common design‐formulae and guidelines. This article presents the results of a doctoral thesis where an analogous model for the determination of buckling‐loads has been derived. By experimental and numerical investigations buckling curves for the determination of ultimate loads have been developed, in order to provide a design concept for beams on seats.     

Nachrechnen und Verstärken älterer Spannbetonbrücken

Es zeichnet sich ab, dass die Investitionen in die Verstärkung und Erneuerung des Straßenbrückenbestands in Deutschland zukünftig stark erhöht werden müssen, damit das Fernstraßennetz bestmöglich nutzbar bleibt. Erste Erfahrungen mit der Nachrechnung von Brücken zeigen, dass viele ältere Brücken sehr kurzfristig verstärkt oder erneuert werden müssen. Besonders kritische ältere Brücken, die nicht kurzfristig verstärkt oder erneuert werden können, müssen für den Schwerverkehr eingeschränkt werden, da sie nach den Regeln der Nachrechnungsrichtlinie erheblich überbeansprucht sind. Zur Verstärkung älterer Spannbetonbrücken hat sich in den letzten Jahren eine Externe Vorspannung als vorteilhafteste Verstärkungstechnik herausgestellt. Die Regeln zur Bemessung, Konstruktion und Bauausführung sind inzwischen vielfach angewendet und erprobt. Noch verbleibende Regeln für die Querkraftbemessung älterer Spannbetonbrücken im Rahmen der Nachrechnung sind in der Entwicklung und müssen den Tragwerksplanern baldmöglichst zur Verfügung gestellt werden. Checking and Strengthening older Prestressed Concrete Bridges In Germany it seems to indicate, that very high investments are necessary to strengthen or replace older road bridges in order to maintain a sustainable and effective traffic infrastructure. First experiences with a new guideline for checking older bridges are, that many older bridges have to be checked and strengthened in a short‐term. Weak structures without strengthening have to be closed for the heavy‐duty traffic, because these bridges are overloaded. The strengthening with additional external tendons is the best available technology for older prestressed concrete bridges. That is the experience of the last years. In the following paper principles of design, detailing possibilities and construction works are illustrated. Special rules for shear design of older bridges with low thrust reinforcement and additional external tendons are at the development stage.     

Querkrafttragfähigkeit von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung

Es wird über Versuche zur Querkrafttragfähigkeit von Brückenfahrbahnplatten aus Stahlbeton berichtet. Diese zeigen, dass die bekannten Rechenansätze für Bauteile ohne Querkraftbewehrung nach DIN 1045‐1 bzw. DIN‐FB 102 für Fahrbahnplatten auf der sicheren Seite liegen, die tatsächliche Tragfähigkeit aber weit unterschätzt wird. Weitere Ansätze zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit von Stahlbetonbauteilen ohne Querkraftbewehrung werden erörtert. Während die Modelle bei der Auswertung einer Datenbank von Balkenversuchen eine gute Übereinstimmung aufweisen, zeigt der Vergleich mit den Modellversuchen, dass die meisten Rechenverfahren die Tragfähigkeit der Platten unterschätzen. Zur Berechnung der Querkrafttragfähigkeit von Platten ohne Querkraftbewehrung unter Punktlasten wird ein Modell vorgeschlagen, welches die Querkrafttragfähigkeit mit der Zugbeanspruchung der Biegezugzone im kritischen Bereich verknüpft. Shear Resistance of Bridge Decks without Transverse Reinforcement The design of concrete bridge deck slabs is of major concern since the introduction of the Eurocodes as the calculated shear capacity of slabs without stirrups and staggered reinforcement according to the new design standards is often considerably smaller compared to the former regulations i.e. DIN 1045:88. This raises the question whether the existing structures are still save. A series of 12 tests on 4 different specimens representing a bridge deck was performed to examine the real load bearing behaviour of a slab with and without shear reinforcement under a wheel (point) load. The evaluation of the test results revealed, that the current design formula with an assumed elastic shear force distribution leads to rather conservative values of shear capacity for bridge deck slabs. Various approaches for shear design are discussed and the accuracy is checked by means of a shear database and the test results. A new model to calculate the shear capacity is proposed which shows a better agreement with test data than the known approaches.     

Anforderungen an die Wärmedämmung der Gebäudehülle: ein Vergleich zwischen EnEV 2009 und EnEV 2007

Im Hinblick auf die Anforderungen an die Dämmung der Gebäudehülle hat sich ein Wechsel der Bezugsgrößen und Abhängigkeiten von der Energieeinsparverordnung (EnEV) 2007 zur EnEV 2009 vollzogen. Deshalb ist ein direkter Vergleich der beiden Vorschriften, zumindest bei Neubauten, nicht ohne weiteres möglich. Im folgenden Artikel wird die Möglichkeit eines allgemein gültigen Vergleichs der beiden Anforderungsniveaus untersucht. Daraus lassen sich für den Planer Schlüsse im Hinblick auf die Einhaltung der Anforderungen und deren Auswirkung auf den Entwurf und die Konstruktion ziehen. Abschnitt 1 behandelt dabei den Neubau von Wohngebäuden, Abschnitt 2 den Neubau von Nichtwohngebäuden und Abschnitt 3 die Bestandsgebäude. Comparison of the heat insulation requirements for building envelopes between EnEV 2007 and EnEV 2009. The heat insulation requirements for building envelopes depending on reference values and various conditions have been changed from EnEV 2007 (German Building Energy Conservation Ordinance) to EnEV 2009. Therefore, a direct comparison of both regulations is not possible, especially for new buildings. In this article the possibility of a generally valid comparison of both requirement levels is examined. Conclusions for the design of residential buildings, commercial buildings and refirbishment of existing buildings are given.     

Zur Druck‐Zug‐Festigkeit von Stahlbeton und stahlfaserverstärktem Stahlbeton

Während die Druckfestigkeit des Betons durch gleichzeitig wirkenden Querdruck gegenüber der einaxialen Druckfestigkeit erheblich gesteigert werden kann, führen Querzugbeanspruchung und Rissbildung zu einer Abminderung der Tragfähigkeit. Dies gilt für unbewehrten Beton und Stahlbeton gleichermaßen. In den einschlägigen Regelwerken finden sich hierzu international sehr unterschiedliche Bemessungsansätze, wobei die vorgesehenen Abminderungsbeiwerte für denselben Anwendungsfall um das bis zu Zweifache differieren. Die Frage der Druck‐Zug‐Festigkeit von Stahlbeton wurde in den vergangenen 40 Jahren von zahlreichen Wissenschaftlern untersucht. Ihre Ergebnisse sind allerdings zum Teil ebenso widersprüchlich wie die aktuelle Normensituation. Basierend auf eigenen experimentellen Untersuchungen sowie einer kritischen Auswertung und Einordnung als richtungweisend angesehener, früherer Versuchsreihen wird ein Vorschlag zur Abminderung der Druckfestigkeit des gerissenen Stahlbetons entwickelt. Erstmals wird dabei auch der Einfluss einer Faserzugabe in Kombination mit Stabstahlbewehrung berücksichtigt. Ein Vergleich mit den in DIN 1045‐1, CEB‐FIP Model Code 1990, Eurocode 2 und ACI Standard 318‐05 angegebenen Bemessungsregeln zeigt, dass allein DIN 1045‐1 die in den Versuchen beobachtete maximale Abminderung der Druckfestigkeit durch Querzug und Rissbildung zum Teil erheblich unterschätzt, so dass eine konservative Auslegung der Tragwerke nicht immer sichergestellt ist. Biaxial Compression‐Tension‐Strength of Reinforced Concrete and Reinforced Steel Fibre Concrete The compressive strength of concrete can be substantially increased in relation to uni‐axial compressive strength by transverse compression acting at the same time. In contrast, transverse tension and cracking lead to a reduction of the load‐carrying capacity. This holds true for plain concrete as well as for reinforced concrete. In international standards very different calculation rules can be found on this subject, whereby the provided reductions differ up to a factor of two for the same application. The question of biaxial compression‐tension‐strength of reinforced concrete was examined in the past 40 years by numerous scientists. Their results are, however, partially contradictory in the same way as the current standard situation. Based on own experimental investigations as well as on a critical review and classification of former test series regarded as trend‐setting, a proposal for the reduction of the compressive strength of cracked reinforced concrete is developed. For the first time, also the influence of fibres in addition to bar reinforcement is considered thereby. A comparison with the calculation rules in DIN 1045‐1, CEB‐FIP Model Code 1990, Eurocode 2, and ACI Standard 318‐05 shows, that exclusively DIN 1045‐1 underestimates sometimes substantially the maximum reduction of the compressive strength by transverse tension and cracking observed in the tests, so that a conservative design of structures cannot always be ensured.     

Schädigungsmodell für hybride Verbindungen in Offshore‐Windenergieanlagen

Grout‐Verbindungen als hybride Rohr‐in‐Rohr‐Steckverbindungen mit hochfester zementgebundener Füllschicht sind während der Betriebsphase von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) dynamischen Lasten aus Wind‐ und Wellen‐ sowie Betriebslasten der Anlage ausgesetzt. Zusätzlich müssen diese nicht redundanten Verbindungen Extremlasten widerstehen. Die in den letzten Jahren festgestellten Vertikalverschiebungen im Bereich der Verbindung bei Monopiles unterstreichen eine erforderliche konstruktive Optimierung. Dies kann beispielsweise durch in Umfangsrichtung angeordnete Auftragsnähte erfolgen. Die damit hervorgerufenen Druckstreben ermöglichen einerseits eine signifikante Axialtragfähigkeitssteigerung, andererseits führen die geometrischen Kerben zu Spannungskonzentrationen in den Stahlrohren und der Füllschicht. Der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit kann dabei nach bekannten Konzepten erfolgen. Werden einaxiale Wöhlerlinien von Beton angesetzt, ist der Nachweis der Groutschicht gegen Materialermüdung rechnerisch nur schwer zu erbringen. Unter Berücksichtigung der tatsächlich vorliegenden mehraxialen Spannungszustände im Grout und mehraxialer Wöhlerlinien für das Verbundmaterial kann trotz vorliegender Spannungskonzentration der Nachweis ausreichender Ermüdungsfestigkeit der Verbindung durchgeführt werden. Damage approach for hybrid connections in offshore wind turbines. During the service life of an offshore wind turbine, the connection between monopile and tower, the so‐called grouted joint, is exposed to high dynamic loadings from wind and wave actions. Additionally the connection, which is filled with a high performance grout, has to withstand extreme load situations. Within the last years vertical settlements between the connected steel pipes have been detected. This non‐redundant failure mode underlines the necessity for an optimization of the axial load bearing capacity. One possible solution is the application of shear keys, which are weld beads installed in circumferential direction of the connection on the surfaces of pile and sleeve. This additional mechanical interlock leads to compression struts and an increased axial strength. Unfortunately these geometric notches lead to local stress concentration and reduce the fatigue resistance of steel and grout. The fatigue design for the steel members can be performed acc. to well known local approaches. For plain grouted joints usually uniaxial S‐N‐curves for the grout layer are considered, which is not appropriate in cases of shear keys. Taking the multiaxial stress space around the weld beads and suitable S‐N‐curves into account, the fatigue design of the connection can be conducted.     

Auswirkungen von Vereinfachungen bei der Flächenerfassung für Mehrzonenbilanzen auf die Energiebedarfsermittlung

Die energetische Bilanzierung von Nichtwohngebäuden macht in der Regel eine umfangreiche Zonierung der Gebäude erforderlich, was auch eine zeitaufwändige Ermittlung der Hüllflächen mit sich bringt. Im ersten Teil der Veröffentlichung wurde ein vereinfachtes Verfahren vorgestellt, mit dem die Erfassung der Gebäudehüllfläche im Ein‐Zonen‐Modell erfolgen kann, während die energetische Bilanzierung im Mehrzonenmodell nach DIN V 18599 stattfindet [1]. In diesem Artikel wurden zwei Methoden diskutiert. Beim einfachen Verfahren erfolgt die Verteilung der Hüllfläche automatisch über einen vorgegebenen Algorithmus. Das erweiterte Verfahren erlaubt von der Zonenebene aus Präzisierungen bei der Verteilung. In Teil 1 wurde der Einfluss auf den flächenbezogenen Fehler aufgezeigt [1]. Der vorliegende Teil 2 beschäftigt sich mit den Auswirkungen auf den Energiebedarf und führt beide Analysen zusammen. Ziel der Untersuchungen war die Bewertung, ob für die Berechnung des Gebäudeenergiebedarfs im Rahmen der Erstellung eines Energieausweises die Flächen und Stoffwerte der Gebäudehülle auf Gebäudeebene definiert und dann nach einem vorgegebenen Schlüssel (einfaches und erweitertes Verfahren) auf die Zonen aufgeteilt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fehler im Energiebedarf gering und für die frühe energetische Bewertung von Gebäuden, im Rahmen der Nachweiserstellung, ausreichend präzise sind. Das Verfahren ist so konzipiert, dass das Gebäudemodell im Rahmen der Projektbearbeitung weiter präzisiert und detailliert werden kann, ohne dass die zuvor hinterlegten Daten verloren gehen. Die vorgestellten Vereinfachungen finden Anwendung in der Luxemburger EnEV zur energetischen Bewertung von neu zu errichtenden Nichtwohngebäuden. The effects on energy demand analysis of the simplified surface area calculation and zoning model. The energy performance assessment of non‐residential buildings generally requires a detailed zoning procedure, which in turn leads to a time‐consuming allocation of the envelope surface areas to the individual zones. The first part of the study, in [1], describes a simplified procedure, whereby the building is analysed according to a single‐zone model whereas the energy balance in the multi‐zone model is calculated according to DIN V 18599. In this paper two methods are discussed. The simplified procedure uses an algorithm to allocate the building envelope surface area automatically to the zones. The extended procedure enables precise allocations starting from the zone level. In part 1 the influence on error relating to allocation based on envelope surface area is revealed. The following part 2 of the report examines the effects on energy demand, combining the two analyses. The results show that the errors in energy consumption for heating, cooling and lighting are minor and sufficiently precise for the scope of the pre‐assessment required for a building permit. The procedure is designed to enable the building model to be made more detailed and precise during the planning phases of the project without losing the underlying data. The simplifications presented will be implemented in the new Luxembourg EnEV for the energy performance assessment of non‐residential buildings.     

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.     

Europäische Ansätze für Energieeffizienz‐Monitoring auf der Basis von Energieausweis‐Daten

Das DATAMINE‐Projekt wurde angesichts des Bedarfs nach konkreten Daten über den tatsächlichen energetischen Zustand des europäischen Gebäudebestands und die bestehenden Potentiale zur Energieeinsparung und CO2‐Emissionsminderung ins Leben gerufen. Diese Daten sollen längerfristig helfen, das politische Instrumentenbündel (ordnungsrechtliche, steuerliche, Förder‐Maßnahmen, Informationsvermittlung) so zu gestalten, dass es wirkungsvoll und kosteneffizient ist. Entsprechend dem DATAMINE‐Konzept basieren die Informationen auf Energieausweisen, die gemäß EU‐Gebäuderichtlinie ausgestellt werden, sobald ein Gebäude gebaut, verkauft oder vermietet wird. Im Rahmen des DATAMINE‐Projekts wurden in zwölf Ländern Feldversuche mit größeren Gebäudedaten‐Sammlungen durchgeführt, jeder mit unterschiedlichen Analysezielen. Dabei nutzte jedes Land die gleiche Datenstruktur für die Sammlung seiner Energieausweis‐Daten, die im Vorfeld gemeinsam entwickelt worden war. Diese lässt sich auf die verschiedenen Zertifizierungssysteme anwenden, die die europäischen Länder auf Grund der Unterschiede in Informationsbedürfnissen, Gebäudearten und Klima entwickelt haben. Rund 19.000 Datensätze wurden im gemeinsamen DATAMINE‐Format gesammelt. In einem Ländervergleich konnten verschiedene Energieeffizienz‐Indikatoren gegenübergestellt werden. Das Ergebnis der Analysen ergibt einen genaueren Einblick in den aktuellen Stand der energetischen Modernisierung spezifischer Gebäudegruppen in den beteiligten Ländern. Schließlich wurden Schlussfolgerungen in Bezug auf die Entwicklung von Monitoringsystemen in jedem Land und auf EU‐Ebene gezogen. European attempt at energy performance monitoring based on data collections and certification schemes. The launch of the DATAMINE project has been driven by the need for concrete data on the actual energy performance of the European building stock as well as the potential energy savings and CO₂ reductions. In the longer term data can help develop tailored, cost‐efficient complementary measures to energy performance legislation, such as soft loans and tax incentives. DATAMINE aims to construct a knowledge base using the information on the energy performance certificates issued when buildings are constructed, sold or rented. In the framework of DATAMINE test projects were carried out on large samples of buildings in 12 countries, each with individual monitoring targets. In each country the same data structure was used for data collection which had been developed at the forefront. Full allowance is made for the Europe‐wide differences in certification schemes, since each country has a scheme tailored to its specific needs, building stock and climate. Around 19,000 datasets have been collected in the common DATAMINE format. Cross‐country analysis of the collected data was performed comparing different energy performance indicators. The result of the evaluation activities gives a clearer insight into the current state of refurbishment of specific building subsets in each country. Finally conclusions were drawn regarding the development of monitoring systems in each country and on EU level.     

Berechnung der Knicklast in Bogenebene von Netzwerkbögen

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