Nachweiskonzepte zur Bemessung ermüdungsbeanspruchter Bauteile unter Berücksichtigung von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren durch höherfrequentes Hämmern

Die Anwendung von höherfrequenten Hämmerverfahren zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von dynamisch beanspruchten Bauteilen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dies hängt zum einen damit zusammen, dass bei Neukonstruktionen durch den Einsatz von höherfesten Stählen die Frage der Materialermüdung verstärkt die Bauteilauslegung bestimmt, und zum anderen, dass bei vielen bestehenden Bauwerken vermehrt Maßnahmen zur Verlängerung der Restlebensdauer erforderlich werden. Die Anwendung von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren in Form von höherfrequentem Hämmern stellt hierfür eine geeignete Maßnahme dar, die Ermüdungsfestigkeit von Neukonstruktionen zu erhöhen bzw. die Restlebensdauer bestehender Anlagen zu verlängern. Eine zuverlässige baupraktische Anwendung setzt jedoch die Existenz anerkannter Regeln für die Bemessung voraus, wie auch eine darauf abgestimmte Vorgehensweise für die Ausführung. Der vorliegende Beitrag widmet sich vor allem der Darstellung bisher existierender Nachweiskonzepte für die Bemessung ermüdungsbeanspruchter Bauteile bei Anwendung von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren in Form von höherfrequentem Hämmern. Fatigue design concepts for post‐weld treated joints improved by high frequency hammer peening methods. Post‐weld improvement methods have been widely investigated and have in most cases been found to give substantial increases in the fatigue strength. Nowadays, there is an increasing interest in using such methods in order to either improve the fatigue resistance of new structures built e.g. by high strength steel and/or to enlarge the lifetime of existing structures suffering from fatigue problems. With regard to this, post‐weld improvement using high frequency hammer peening methods lately showed very good and promising results in combination with simple operation conditions. However, the successful application of post‐weld improvement methods always requires the existence of profound fatigue design concepts as well as relevant execution and quality standards. The following paper refers predominately to the first aspect, in trying to summarise and compare existing design concepts and their application range for high frequency hammer peening methods.     

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.     

Versuche und Anwendung hochfrequenter Hämmerverfahren als Schweißnahtnachbehandlung

Die Lebensdauer von dynamisch belasteten Bauteilen aus Stahl stellt ein entscheidendes Qualitätsmerkmal von Produkten der Stahlbau Firmen dar. Der Einsatz höherfrequenter Hämmerverfahren, im Besonderen des UIT oder HiFIT‐Verfahrens, als lebensdauerverlängernde Maßnahme von ermüdungsbeanspruchten Schweißverbindungen wurde im Rahmen des REFRESH‐Forschungsprojekts erstmals wissenschaftlich untersucht. Einsatz und Wirksamkeit der Verfahren wurde von den am Projekt beteiligten Firmen an ausgeführten Bauteilen untersucht. Die Erkenntnisse aus Versuchen und praktischer Anwendung der Firmen Schachtbau Nordhausen und Maurer Söhne werden im folgenden Artikel geschildert. Tests and application of high frequency peening as a post weld treatment method. The fatigue life of dynamic loaded steel construction elements is an influential quality characteristic for products of steel fabricators. The application of high frequency peening, especially the UIT (ultrasonic impact treatment) or the HiFIT (high frequency impact treatment) as a method to extend the fatigue life of welded connections, has been investigated in course of the research project called REFRESH for the first time. The practical application and the effectiveness of high frequency peening at finished building components have been examined by building companies which are concerned to the research project. The present paper describes the tests and the practical application of the companies Schachtbau Nordhausen and Maurer Söhne.     

Schweißnahtnachbehandlung mit höherfrequenten Hämmerverfahren – Ermüdungsfestigkeit,Qualitätssicherung,Bemessung

Im Rahmen des Forschungsprojekts REFRESH wurden umfangreiche systematische Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit mit höherfrequenten Hämmerverfahren nachbehandelter Schweißnähte durchgeführt. Die statistisch abgesicherten Ergebnisse belegen die hohe ermüdungsfestigkeitssteigernde Wirksamkeit der Verfahren und ermöglichten die Entwicklung eines experimentell abgesicherten Bemessungskonzeptes. Um die Anwendung überwachen zu können und die Behandlungsqualität sicherzustellen, wurde ein Qualitätssicherungssystem und ein Anforderungskatalog an das Fachpersonal erarbeitet. Die Zertifizierung der Verfahren erfolgt auf Basis eines gemeinsam von der Bundesanstalt für Materialforschung und ‐prüfung und der Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine der Universität Karlsruhe erarbeiteten Zertifizierungssystems. Postweld treatment by high frequency hammer peening methods – fatigue resistance, quality control, design. In the range of the research project REFRESH comprehensive, systematic investigations regarding the fatigue resistance of welds treated with high frequency peening methods have been conducted. The statistically confirmed results prove the high beneficial effect of the methods and allowed to develop an experimentally verified design concept. In order to control the application quality and to ensure the desired effects a quality assurance system and a catalogue of requirements for specialists has been worked out. The certification of the methods is performed on the base of a common certification system, developed by the German Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) and the Research Centre for Steel, Timber and Masonry, University of Karlsruhe.     

Höherfrequente Hämmerverfahren – Ursachen der Steigerung der Ermüdungsfestigkeit und Nachweismodell

Der Einsatz von Schweißnahtnachbehandlungsverfahren zur Optimierung wechselnd beanspruchter Stahlkonstruktionen in Hinblick auf deren Lebensdauerverlängerung oder eine Reduzierung des Konstruktionsgewichts wurde in den letzten Jahren verstärkt untersucht. Dabei erwiesen sich höherfrequente Hämmermethoden als besonders wirkungsvoll zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit. Der vorliegende Artikel zeigt die Potentiale der Verfahren auf und belegt deren Einfluss auf das Rissinitiierungs‐ und Rissfortschrittsverhalten von Schweißnähten. Anhand eines entwickelten Bemessungsmodells wird eine Möglichkeit der rechnerischen Erfassung der positiven Wirksamkeit der Verfahren dargelegt. Reasons and calculation of the improved fatigue life of welds treated with high frequency peening methods. The application of post weld treatment methods in order to optimize fatigue loaded steel structures in view of an extension of their service life or a reduction of the construction weight has been studied intensively in the last years. High frequency peening methods proved to be extreme effectively in order to increase the fatigue strength. The following article shows the potentials of the methods and proves their influence on the crack initiation and crack propagation behaviour of welds. With help of a developed design procedure the possibility of respecting the positive effect on the fatigue strength during the design is provided.     

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.     

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

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

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

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

Baugrubenverformungen in weichen Böden bei spannungspfadabhängigem Materialverhalten

Es werden die wesentlichen Ergebnisse zur Untersuchung der Baugrubenverformungen in weichen Böden bei spanungspfadabhängigem Materialverhalten anhand von 1g‐Modellversuchen, Elementversuchen, numerischen Berechnungen sowie Validierungen an drei Fallbeispielen vorgestellt. Wesentliche neue wissenschaftliche Erkenntnisse resultieren insbesondere aus spannungspfadabhängigen Triaxialversuchen. Die bodenmechanischen Kenngrößen sind danach eindeutig spannungspfadabhängig. Darüber hinaus wird eine verbesserte, unmittelbar in der Ingenieurpraxis anwendbare Vorgehensweise zur Berücksichtigung der spannungspfadabhängigen Steifigkeit vorgestellt, die für zukünftige Projekte bei vergleichbaren Randbedingungen besser abgesicherte Prognosen der Beanspruchungen und besonders der zu erwartenden Verformungen ermöglichen. Deformations of excavations in soft soils with stress‐path‐dependent material behavior. The substantial results of a research work on deformations of excavations in soft grounds with stress path dependent material behavior on the basis of 1g‐model tests, element tests, numerical analysis as well as validations of three practical case studies are presented. The investigations revealed a pronounced dependency of the stiffness on the stress paths. Therefore, a new approach for numerical analyses is introduced which allows a consideration of the stress path dependent stiffness according to the characteristic stress path zones. Taking into account both temporal and spatial effects in the construction of the three case studies, a good agreement is reached further between the measurements and numeriod results. Thus, the new approach contributes to the optimization of the analysis of excavations in soft soils.     

Messtechnische Analyse flachgeneigter hölzerner Dachkonstruktionen mit Sparrenvolldämmung — Teil 3: Hinterlüftete und nicht hinterlüftete Metalldächer

Im dritten und abschließenden Teil dieser Aufsatzreihe werden die Messdaten aus hinterlüfteten und nicht hinterlüfteten flachgeneigten Metalldächern diskutiert. Diese wurden im Freilandversuch über 17 Monate unter besonnten und Vollzeit beschatteten Randbedingungen untersucht. Hierbei zeigt sich, dass bei besonnten Bedingungen in beiden Dachaufbauten die innenseitige Dampfbremsbahn durch eine OSB ersetzt werden kann, ohne dass sich kritische Klimabedingungen oder erhöhte Materialfeuchten im Gefach einstellen. Die verwendete Gleitbügelblecheindeckung beim nicht hinterlüfteten Dach ermöglicht einen diffusionsoffenen Aufbau. Das hinterlüftete Metalldach zeigt trotz geringen Luftvolumenstroms in der Hinterlüftungsebene das günstigste hygrische Verhalten aller untersuchten Dachauf bauten. Measuring investigations of the hygrothermal behaviour of timber flat roofs — Part 3: Ventilated and non‐ventilated metal roofs. In the third and last part of this article serial the measuring values of ventilated and non‐ventilated metal roofs are discussed. The roofs were investigated at a full scale test under sun‐exposed and full‐time shaded conditions. It was shown that at sun‐exposed conditions the vapour retarder membrane in both metal sheeted roofs can be replaced by an OSB without critical climate or increased moisture content in the cavity. The used metal sheeting at the non‐ventilated roofs enables a water vapour permeable construction. The ventilated metal roof showed in spite of the little airflow in the ventilation layer the best hygrical behavior of all investigated roofs.     

Alternativer Berechnungsansatz zum Hochfrequenzhämmern – Versuch und praktische Anwendung in der Windenergietechnik

Die lokal anwendbare Schweißnahtnachbehandlung bietet ein vielversprechendes Potential zur Lebensdauerverlängerung und wirtschaftlicheren Fertigung geschweißter Bauteile. In diesem Beitrag wird ein alternativer Berechnungsansatz auf bruchmechanischer Basis vorgestellt, der es erlaubt, wesentliche Effekte des Hochfrequenzhämmerns, die für die signifikante Verlängerung der Lebensdauer verantwortlich zeichnen, direkt in die Abschätzung der Lebensdauer mit einfließen zu lassen. Ferner werden die Ergebnisse eines Schwingfestigkeitsversuches an dickwandigen, durchgeschweißten Kreuzstößen mit einer Blechdicke von 60 mm präsentiert. Auch aufgrund der sehr positiven Erfahrungen aus der Anwendung des Hochfrequenzhämmerns an verschiedenen Bauteilen von Windenergieanlagen in der Praxis wird diesem Verfahren zukünftig eine hohe Bedeutung zukommen. An alternative calculation approach for high frequency peening – further validation and practical application in wind energy technology. A local application of post weld treatment shows a high potential in increasing fatigue life and more economic manufacturing of welded components. An alternative assessment based on fracture mechanics is presented which takes into account the main effects of high frequency peening. Furthermore results of a fatigue test on a cross‐joint K‐butt weld with 60?mm thickness are presented. Also because of positive experiences in field application of high frequency peening on different components in wind energy converters this kind of post weld treatment will be a very promising technique in future.     

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.     

Ausstattung von Klassenräumen mit Einrichtungen zum Temperieren,Lüften und Belichten

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

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.     

Lebenszyklusbetrachtungen als Grundlage für die Nachhaltigkeitsbewertung von Straßenbrücken

Lebenszyklusbetrachtungen spielen bei der Bewertung der Nachhaltigkeit von Bauwerken eine besondere Rolle. Sie fokussieren nicht nur auf die einmaligen Umweltwirkungen und die Investitionskosten bei der Herstellung von Bauwerken, sondern ermöglichen die ganzheitliche Beurteilung der fortlaufend anfallenden ökologischen und ökonomischen Wirkungen. Mit der Untersuchung von zwei Autobahnbrücken und zwei Überführungsbauwerken wird das Ziel verfolgt, einen einheitlichen Durchschnittswert für die ökologischen und die ökonomischen Wirkungen von Brückenbauwerken zu definieren. Der Beitrag befasst sich mit der Festlegung derartiger Referenzwerte und stellt erste Lösungsansätze zur Berücksichtigung des Recyclingpotentials von Materialien vor. Life cycle considerations as a base for assessment of the sustainability of road bridges. Life cycle considerations are important for the assessment of the sustainability of constructions. Taking the life cycle into account it is not only possible to determine single environmental impacts and investment costs arising during the construction of buildings, but also to assess the consecutive ecological and economical impacts. The aim of this study was to define a consistent average value for ecological as well as economical impacts of road bridges by evaluating two viaducts and two overcrossings. This article deals with the determination of those reference values and presents an approach how to deal with the recycling potential of materials within the life cycle assessment.     

Vorhersage duktilen Festigkeitsversagens von Stahlbauteilen mit Hilfe schädigungsmechanischer Methoden

Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit setzen ausreichende Duktilität voraus. Insbesondere bei der Bemessung nach dem Traglastverfahren, im Erdbebenfall, bei Explosion oder Anprall werden die plastischen Reserven von Konstruktionen gefordert, und es muss sichergestellt werden, dass ausreichendes Verformungsvermögen vorliegt und kein sprödes Versagen auftritt. Zur Absicherung der Nachweismodelle werden im Regelfall Versuche bei Raumtemperatur durchgeführt und entsprechende Sicherheitselemente abgeleitet. Im Rahmen dieses Aufsatzes werden schädigungsmechanische Methoden vorgestellt, die es ermöglichen, das duktile Versagensverhalten von Stahlbauteilen vorherzusagen. Basierend auf einem Grenzzustand zwischen der lokalen plastischen Dehnungsanforderung, die sich aus der globalen Belastung, dem Detail und dem verwendeten Stahl ergibt, und dem lokalem plastischem Dehnungswiderstand, der sich in Abhängigkeit von Stahlsorte, Temperatur und Dehnrate quantifizieren lässt, können in Zukunft realistische Kriterien für die Werkstoffauswahl in der Hochlage bereitgestellt werden. Der nachfolgende Aufsatz zeigt Auszüge aus den Ergebnissen eines Europäischen Forschungsvorhabens [1] zur Bestimmung eines Hochlagenkriteriums für den Stahlbau. Prediction of ductile failure of steel structures by damage mechanics. For the verification in the ultimate limit state sufficient ductility is assumed. Especially in plastic design and for seismic events, explosion or impact it has to be ensured, that the structure shows sufficient deformation capacity and the material provides enough ductility in the upper shelf region and brittle fracture is excluded. To validate the verification procedures tests are performed at room temperature and corresponding safety elements are derived. Within this article methods based on damage mechanics are presented which allow for an estimation of the ductile fracture behaviour of steel structures in the upper shelf. By this means extensive testing may be supplemented or replaced to some extent. Based upon a limit state between local plastic strain requirements arising from loading situation, detail and steel grade, and local plastic strain resistances given in dependency of the material, temperature and strain rate realistic criteria for the selection of material in the upper shelf will be derived. In the following excerpts of the results of a European project [1] are shown which deals with the derivation of an upper shelf criterion for steel structures.     

Zur plastischen Tragfähigkeit von Straßenbrücken in Verbundbauweise mit längsausgesteiften Stegen

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

Vereinfachtes Flächenerfassungsmodell für Mehrzonenbilanzen

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

Anforderungen an Stahl‐ und Verbundknoten bei Stützenausfall in einem Rahmentragwerk

Eine lokale Schädigung innerhalb der Tragstruktur (z. B. Stützenausfall durch Anprall oder Explosion) kann zu einem Versagen der Gesamtstruktur und damit zum Einsturz des Gebäudes führen. Um solch ein globales Versagen durch lokale Schädigung zu vermeiden, muss innerhalb der Tragstruktur eine Umlagerung der Schnittgrößen ermöglicht werden, d. h., es müssen sich alternative Lastpfade ausbilden können. Solch eine Umlagerung, z. B. von einem reinen Biegezustand in einen gemischten Biege‐/Membranspannungszustand, bedingt unter Umständen sehr große Verformungen, die zu großen Deformationen der Anschlüsse führen. Im Rahmen eines europäischen RFCS‐Forschungsprojektes wurde versucht, mit Hilfe sehr duktiler Anschlussausbildungen die Robustheit von Stahl‐ und Verbundrahmentragwerken zu verbessern. Hauptaugenmerk bei der Konzeption der Anschlüsse war dabei, den Material‐ und Fertigungsaufwand der Anschlüsse so gering wie möglich zu halten und die Umlagerungsmöglichkeiten für außergewöhnliche Bemessungssituationen vornehmlich über das Vorhalten hoher Verformungskapazitäten der Anschlüsse zu aktivieren. Aus diesem Grund wurden hier nachgiebige teiltragfähige Anschlüsse gewählt. Als außergewöhnliche Bemessungssituation wurde in diesem Projekt schwerpunktmäßig der Stützenausfall in einem Rahmentragwerk betrachtet. (RFCS Research Fund for Coal and Steel) Requirements on steel‐ and composite joints for the load case column removal. Local failure in a structure (e. g. sudden column loss due to impact or explosion) may lead to progressive collapse propagation of the global structural system resulting in a total collapse. To avoid progressive collapse initiated by local damage a redistribution of force from the damaged part of the structure has to be enabled by alternate load paths. Activation of alternate load paths by change of the bearing mechanism from pure bending state to more or less pure membrane state is a measure that is only possible by allowing large deformations resulting in high deformation requirements for the joints. In the course of an European RFCS research project ductile joint solutions have been developed to improve the robustness as characteristic of the structure. Main focus of the joint design was to obtain the required deformation capacity for accidental design situations mainly from ductile joint and cause at the same time only few additional material and fabrication costs for the joints. As a result semi‐rigid and partial‐strength joint solutions have been chosen. Objectives within the project were to determine requirements of the joints concerning deformation capacity as well as M‐N‐resistance to enable the activation of catenary action for the load case notional column removal.     

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.