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].     

Schienenlängskräfte auf Brücken bei Zugüberfahrt

Dieser Beitrag gilt dem Problemkreis “Abtragung von Längskräften auf Eisenbahnbrücken mit durchgehend geschweißtem Gleis”. Im Mittelpunkt stehen dabei die zusätzlichen Beanspruchungen zu den jahreszeitlichen Temperaturveränderungen, die sich bei der Zugüberfahrt infolge des Steifigkeitswechsels der Kopplung zwischen Gleis und Brückentragwerk ergeben. Dieses Phänomen wird zunächst an einem einfachen Ersatzsystem mit zwei Freiheitsgraden beschrieben und rechnerisch dargestellt. Statische und dynamische Parameterstudien an einem realitätsnäheren Gleis‐Tragwerk‐Modell zeigen die Entwicklung der Schienenlängsspannungen und horizontalen Brückenauflagerkraft für die Lastfolge jahreszeitlicher Temperaturwechsel – Biegung des Tragwerks – Wechsel der Koppelsteifigkeit unter Einbeziehung der Verformungsgeschichte. Longitudinal rail forces on railway bridges during passing of trains. This paper is devoted to the field of longitudinal forces on railway bridges with continuously welded rails. Here, the focus is placed on stresses additional to those from seasonal temperature change due to the sudden change of the coupling stiffness between track and bridge when a train is running along the bridge. This phenomenon is first explained and realized numerically by means of a simplified two degree of freedom system. Parameter studies, statically as well as dynamically, for a more realistic track‐bridge model demonstrate the development of the longitudinal rail stresses and the horizontal bridge‐support forces for the loading sequence seasonal temperature change – bending of the bridge – change of coupling stiffness with paying attention to the deformation history.     

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

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

Durchrutschende Grout‐Verbindungen in OWEA – Tragverhalten,Instandsetzung und Optimierung

Grout‐Verbindungen werden für die Verbindung zwischen den Gründungs‐ und Turmstrukturen von Offshore‐Windenergieanlagen (OWEA) vielfach eingesetzt. Insbesondere die seit Beginn der 90er Jahre im Meer installierten Windturbinen mit Monopile‐Gründung verfügen über diese hybride Verbindungskonstruktion, bei der Stahlzylinder mit glatter Mantelfläche übereinander gefädelt werden und der Zwischenraum mit hochfesten Feinkornmörteln vergossen wird. Bislang wurde auf eine spezielle Oberflächenprofilierung der Stahlrohre verzichtet. Während standardmäßiger Wartungsintervalle wurden nun an Rohr‐in‐Rohr‐Steckverbindungen in Monopiles in Dänemark, Großbritannien und den Niederlanden vertikale Verschiebungen festgestellt, die auf ein Versagen des Haftverbunds zwischen Stahl und Füllmaterial schließen lassen. Im Rahmen dieses Beitrags wird zunächst der Aufbau sowie das Trag‐ und Ermüdungsverhalten der Grout‐Verbindung erläutert und eigene Untersuchungen an diesen Verbindungen mit Ergebnissen präsentiert. Darauf aufbauend werden mögliche Gründe für die aufgetretenen Schäden diskutiert und Instandsetzungsvorschläge unterbreitet. Neben der Betrachtung der offshore‐spezifischen Einbaubedingungen werden die Maßnahmen hinsichtlich des technischen Aufwands vorgestellt und Kerbfallklassen für die Stahlbauteile zur Bestimmung der Materialermüdung präsentiert. Für zukünftige Gründungsstrukturen werden Optimierungsmöglichkeiten vorgestellt. Sinking grouted joints in offshore wind turbines – Bearing behaviour, repair, and optimisation. Grouted joints are mainly used for the connection of foundation piles and substructures of offshore wind turbines. Grouted joints consist of tube‐to‐tubeconnections where the annulus is filled with a high performance mortar. Since the early 90s, grouted joints have been installed in offshore wind energy converters with monopiles using plain steel sections with no additional mechanical interlock. During maintenance work vertical slippages have been detected at substructures with monopiles in Denmark, UK and the Netherlands. The movements may result from a loss of bond between steel and mortar. Within this paper the construction and the bearing behaviour of grouted joints is presented. Additionally experimental investigations are shown. Based on own experiences reasons for failure and repair opportunities are introduced and optimisation opportunities for future turbines are proposed.     

Umlagerungsverhalten von Plattentragwerken aus Stahlfaserbeton

Das Tragverhalten von Platten aus Stahlfaserbeton ist von starker Nichtlinearität durch Rissbildung und großen traglaststeigernden Umlagerungen geprägt. Für ihre Berechnung und Bemessung wird ein nichtlineares Verfahren vorgestellt. Es basiert auf einer elasto‐plastischen Schädigungsbeschreibung des Faserbetons mit eingebetteter Betonstahlbewehrung und einer Finite Elemente Diskretisierung des Stabstahls und der Platte mit regularisierter Verschmierung der Rissbildung im Elementnetz. Das Verfahren wird an einer punktgestützen Stahlfaserbetonplatte eines Großversuchs angewendet und verglichen mit anderen gängigen Methoden, nämlich einer linear‐elastischen Schnittgrößenermittlung bzw. der Bruchlinientheorie. Zur Bemessung erweist es sich als sehr geeignet, allerdings – ähnlich den beiden anderen Verfahren – abhängig von der angenommen Rissbildung, der Nachrisszugfestigkeit und geometrischen Größen. Redistribution Effects of Steel Fibre Reinforced Concrete Slabs Numerical Computation and Design The bearing behaviour of steel fibre reinforced concrete (SFRC) slabs is mainly affected by nonlinearity due to cracking and redistribution effects leading to an increased bearing capacity. A nonlinear approach for structural analysis and design of such structures is presented. It is based on an elasto‐plastic damage theory to model material behaviour of SFRC and allows for additional embedded rebars. By adopting a finite element discretisation of the slab structure a regulated smeared modelling of cracking is achieved. Further the nonlinear model is applied to a full scale test of a SFRC flat slab structure and results are compared to alternative already well established methods, namely a linear elastic analysis and the yield line theory. The proposed method is proven to be very suitable for design but – alike the alternatives – depends on assumed crack patterns, residual tensile strength of the SFRC and geometrical parameters.     

Verbund‐Opferzellen zum Schutz von Stützen bei Nahdetonation

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

Temburong Bridge,Brunei – Design of two cable stayed bridges

The Temburong Bridge Project is a 30 km long dual two‐lane highway crossing over the Brunei Bay. It will connect the relatively isolated Brunei district of Temburong to the other three Brunei districts. The main objective of the project is to stimulate economic growth in the Temburong region by connecting it to the country's airport and ports. The alignment crosses two navigation channels resulting in the need for two cable stayed bridges – the Brunei Channel Bridge (145 m main span) and the Eastern Channel Bridge (260 m main span). The design of these cable stayed bridges is one of the first applications of the Eurocode to a fully concrete cable stayed bridge. Both cable stayed bridges draw on strong Islamic architectural influences from the region to form a tower shape that is unique and instantly recognisable. Temburong Brücke, Brunei – Entwurf von zwei Schrägkabelbrücken Die Temburong Brücke ist eine 30 km lange Verbindung über die Brunei Bucht mit zwei Richtungsfahrbahnen mit je zwei Fahrstreifen. Sie wird den relativ isolierten Distrikt Temburong mit den anderen drei Distrikten Bruneis verbinden. Hauptanliegen des Projekts ist die Stimulierung von ökonomischem Wachstum in der Temburong Region, indem sie an den Flughafen und Seehafen des Landes angebunden wird. Die Trassierung erfordert die Überquerung zweier Schiffahrtsrouten. Dies wird mit der Anordnung zweier Schrägkabelbrücken ermöglicht, der Brunei Channel Brücke (145 m Hauptspannweite) und der Eastern Channel Brücke (260 m Hauptspannweite). Die Bemessung der beiden Brücken stellt eine der ersten Anwendungen des Eurocode auf Schrägkabelbrücken mit Betonüberbau dar. Optisch sind die beiden Brücken geprägt von der islamischen Architektur der Umgebung, die Pylonform ist ein besonderes Erkennungsmerkmal der Brücken.     

Über die Querkrafttragfähigkeit des Betongurts von Verbundträgern im Bereich von großen Stegöffnungen

Wird bei Stahlverbundträgern der Steg des Stahlträgers durch große Öffnungen geschwächt, übernimmt in diesem Bereich der Betongurt einen Großteil der Querkraft. Die Analyse des sich dabei einstellenden Lastabtragungsmechanismus und die Ermittlung der Querkrafttragfähigkeit des Betongurts waren die Hauptthemen eines am Fachgebiet Massivbau und Baukonstruktion der Technischen Universität Kaiserslautern durchgeführten Forschungsprojektes, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wurde. Im folgenden Teil 1 des Aufsatzes werden die umfangreichen experimentellen und rechnerischen Untersuchungen und deren Ergebnisse dargestellt, wobei der Lastabtragungsmechanismus und die Versagensformen im Öffnungsbereich im Vordergrund stehen. Im Teil 2, der im nachfolgen Aprilheft erscheint, wird das darauf basierende Nachweiskonzept für den Betongurt vorgestellt. On the Shear‐Bearing Capacity of the Concrete Slab of Composite Beams in the Region of Large Web Openings – Part 1: Experimental und Numerical Investigations If the web of a composite beam is weakened by a large opening, the concrete slab carries most of the shear force in this region. The analysis of the load bearing mechanism and the determination of the shear‐bearing capacity were the main topics of a research project which was carried out at the Technical University of Kaiserslautern and was supported by the German Research Foundation (DFG). In the following part 1 of the report, the extensive experimental und numerical investigations as well as their results are presented. Special attention is paid to the load carrying mechanism and the failure modes. In part 2, which will follow in the April issue, the according concept for the design of the concrete slab is presented.     

Tragfähigkeit von randnahen Kopfbolzen bei der Versagensart seitlicher Betonausbruch

Kopfbolzen, die sehr nahe am Bauteilrand verankert werden, können infolge seitlichen Betonausbruchs versagen. Bei dieser Versagensart kommt es zu einem Abplatzen des Betons auf der Seitenfläche des Bauteils. Die Berechnung der Tragfähigkeit erfolgt dabei mit dem CC‐Verfahren. Numerische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass der bisherige Berechnungsansatz konservative Ergebnisse liefert. Um den Einfluss einzelner Parameter auf die Tragfähigkeit zu bestimmen, wurden Versuche verschiedener Autoren ausgewertet und ergänzende numerische Untersuchungen durchgeführt. Diese zeigen, dass – der kritische Randabstand von 3.c₁ auf 2.c₁ reduziert werden kann. – der Einfluss des Randabstandes geringer als bisher angenommen ist. – der Einfluss der Betondruckfestigkeit unterschätzt wird. – der Einfluss direkt nebeneinander liegender Kopfbolzen nicht berücksichtigt wird. Um wirtschaftlichere Ergebnisse für die Tragfähigkeit von randnahen Kopfbolzen zu erhalten wird ein modifizierter Berechnungsansatz aufgezeigt, der die Versuchsergebnisse und numerischen Berechnungen gut abbildet. Dieser Ansatz findet Eingang in die neue europäische Bemessungsnorm 'Design of Fasteners for Use in Concrete' und ermöglicht damit eine genauere Berechnung von Kopfbolzenverankerungen nahe am Bauteilrand für die Versagensart Blow Out. Load Bearing Capacity of Headed Studs in Case of Blow Out Failure Mode Headed studs placed near to the edge of a concrete member can fail because of blow out. In case of this failure mode the concrete spalls at the lateral surface of the concrete member. The failure load can be calculated by the Concrete capacity method (CCmethod). Numerical and experimental investigation show that the CC‐method leads to conservative results. To determine the influence parameters on the load bearing capacity the tests of different authors are evaluated and advanced numerical simulations are carried out. The evaluation shows that – the critical edge can be reduced to two times the edge distance. – the influence of the edge distance is smaller than assumed. – the influence of the concrete compressive strength is underestimated. – the influence of headed stud placed sided by side is not considered. To get more economic results relating the load capacity of headed studs at the edge a modification of the CC‐Method is proposed. This modified CC‐method corresponds quite well with the test results as well as with the results of the numerical simulations. The proposed design equation will be included in the European design guide 'Design of Fasteners for Use in Concrete'.     

Der Aufschweißbiegeversuch oder: Nichts ist beständiger als ein Provisorium?

Der vorliegende Beitrag gibt einen historischen Rückblick auf die Entwicklung des Aufschweißbiegeversuchs nach SEP 1390:1996‐07, der seit den 40er Jahren des letzten Jahrhunderts als empirischer Versuch zur Gewährleistung ausreichender Duktilität der verwendeten Stahlgüte bei auf Zug oder Biegezug beanspruchten geschweißten Stahlblechen mit Dicken größer 30 mm angewendet wird. Der Aufschweißbiegeversuch wurde nach den Schadensfällen 1936 an der Zoo‐Brücke in Berlin und 1938 an der Reichsautobahnbrücke Rüdersdorf als Versuch zur Beurteilung der Dehnfähigkeit eines geschweißten Blechs von Otto Kommerell entwickelt und zunächst als best geeignetes Hilfsmittel angesehen. Korrelationsuntersuchungen zum Kerbschlagbiegeversuch wurden seinerzeit und heutzutage mit dem Ergebnis durchgeführt, dass es keine gute Korrelation gibt. Im Zuge der europäischen Harmonisierung wurde der Aufschweißbiegeversuch durch ein Äquivalenzkriterium ersetzt, so dass seine Funktion – die Erzielung einer bestimmten Lieferqualität – erhalten bleibt. The AUBI‐test or: nothing is more constant than a provisionary solution? The present contribution is a review on the development of the German AUBI‐test (Aufschweißbiegeversuch) according to SEP 1390:1996‐07. In the forties of the last century the AUBI‐test was developed by Otto Kommerell after brittle fractures occurred 1936 at the Zoo‐bridge in Berlin and at the highway bridge at Rüdersorf 1938. The AUBI‐test should provide a possibility for testing and ensuring sufficient ductility of welded steel plates loaded in tension with a thickness greater than 30 mm. Initially the AUBI‐test was treated just as an auxiliary possibility. Investigations regarding a possible correlation between impact bending tests and AUBI‐tests at that time and nowadays showed that a good correlation is not available. In the frame of the European harmonisation the AUBI‐test was replaced by an equivalent criterion, which still obtains the function of the test: achieving a special quality of delivery.     

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

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

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.     

Untersuchungen zur Anwendung von UHPFRC‐Tübbingen bei der zweischaligen Tunnelbauweise

Faserbewehrter Beton wird heute zunehmend auch bei Tunnelbauwerken (Tunnelinnenschalen, Tübbinge) eingesetzt. Wesentliche Vorteile sind das hohe Tragvermögen, das daraus entstehende Einsparungspotential an herkömmlicher stabförmiger Bewehrung (Biegebewehrung, Bügelbewehrung in der Randzone), die Aufnahme von Spaltzugbeanspruchungen durch die Fasern, Rissbreitenbegrenzung, erhöhte Dauerhaftigkeit, verbesserter Brandwiderstand (insbesondere bei Verwendung von Kunststofffasern), Optimierung der Arbeitsabläufe etc. Neue Entwicklungen in der Betontechnologie haben in den letzten Jahrzehnten den faserbewehrten ultrahochfesten Beton (engl. UHPFRC – Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete) hervorgebracht. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einsatz des ultrahochfesten, stahlfaserbewehrten Betons beim zweischaligen Tübbingausbau untersucht. Als Referenzobjekt dient die derzeit im Bau befindliche Tunnelkette Perschling, die im Zuge des viergleisigen Ausbaus der Westbahnstrecke der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) in Niederösterreich errichtet wird. Ziel der statischen Untersuchung ist es, unter der Randbedingung, dass die maximalen Verformungen des C 40/50‐Normalbetontübbings gemäß Ausschreibungsstatik nicht überschritten werden, herauszufinden, inwieweit die Schalendicke durch Einsatz einer alternativen UHPFRC‐Tübbingschale reduziert und dadurch wirtschaftliche Vorteile generiert werden können. Investigations on the application of Ultra‐High‐Performance‐Fibre‐Reinforced‐Concrete (UHPFRC) tunnel segments at the double shell lining construction. Today fibre reinforced concrete is increasingly applied for tunnel construction (tunnel linings, tunnel segments). The essential benefits are e.g. the higher load bearing capacity, savings potential on the conventional bending and binder reinforcement, the absorption of splitting forces by the fibres, crack width limitation, higher durability, improved fire resistance, optimization of the workflow, etc. Beside the steel fibres carbon or glass fibres and polypropylene fibres are being added increasingly. Recent developments in concrete technology have produced the Ultra‐High‐Performance Fibre‐Reinforced‐Concrete. This work examines the use of UHPFRC at the double shell segmental lining system. As reference object serves the currently constructed tunnel chain Perschling which is part of the four track west railway route extension in Lower Austria. The aim of the analysis is the design of an alternative UHPFRC shell with minimum thickness while maintaining the constraint that the deformations are not exceeding those in the tender design with its C 40/50 reinforced concrete segments.     

Thermal performance in three different low‐cost dwellings for the tropical climate of Brazil

Thermisches Verhalten dreier kostengünstiger Wohnhaustypen im tropischen Klima Brasiliens. Ziel des Projektes war, das thermische Verhalten kostengünstiger Passivwohnhäuser im halbfeuchten tropischen Klima zu untersuchen. Die Häuser befinden sich in Cuiabá‐MT (15.5° südlicher Breite), eine der heißesten Städte Brasiliens. Die Daten über die Typologie der Häuser wurden von drei repräsentativen Bauweisen gewonnen: Holz, Mauerwerk und Massivbauweise. Die Messungen wurden innerhalb eines Jahres während jeweils 20 aufeinanderfolgenden Tagen in den vier Jahreszeiten durchgeführt und nach drei Kriterien ausgewertet: (1) Untersuchung der Konstruktionsempfehlungen und Vergleich der Außenwandkonstruktion mit der brasilianischen Norm NBR 15220‐3/2005, (2) Häufigkeitsverteilung der Temperaturwerte 18 °C und 29 °C, sowie (3) thermisches Verhalten mit Untersuchung der Behaglichkeit und eines bioklimatischen Konzepts mit Hilfe der Software Analysis Bio 2.1.2 in Übereinstimmung mit dem darin verwendeten Bioklimatischen Diagramm für Entwicklungsländer nach Givoni.     

Die Edelstahlrampen im Haus der Musiker der Stiftung Insel Hombroich – Konstruktion und Ausführung

Das Haus der Musiker am westlichen Rand der Insel Hombroich bei Neuss wurde von dem New Yorker Architekten Raimund Abraham entworfen. Der Entwurf wurde erstmals 1996 auf der Architektur‐Biennale in Venedig vorgestellt. Nach einem langen Reifungsprozess wurde 2006 mit dem Bau der Studier‐ und Begegnungsstätte für junge Künstler begonnen. 2010 wurden die Rampen, Bühnen und Wendeltreppen, mit denen das Obergeschoss erschlossen wird, fertiggestellt. Mit seinen klaren Formen und seinen klaren Funktionen ist es ist ein typischer Abraham‐Bau. Dieser Aufsatz ist meinem Freund Raimund Abraham gewidmet, einem großen Architekten, der am 4. März 2010 in Los Angeles nach einem Vortrag am Southern California Institut of Architecture bei einem Autounfall um Leben kam und damit die Fertigstellung des Hauses nicht mehr erleben kann. Für den Bauherrn und Kunstsammler Karl‐Heinrich Müller, der 2007 verstorben ist, und auch für den Architekten sowie für den Statiker war es eine große Herausforderung und Ehre Raimund Abrahams Ideen umzusetzen zu dürfen. Raimund Abraham wird auch in diesem Haus weiterleben. The stainless‐steel ramps inside the Haus der Musiker of the Foundation Insel Hombroich – Structure and Execution. The Haus der Musiker (House of Musicians) near Neuss, Germany, has been designed by the New York Architect Raimund Abraham. The design was presented for the first time in 1996 at the architecture‐biennale at Venice. After a longer period of reflection the construction of the building started in 2006, the ramps, the steel platforms and the screw‐stairs – necessary to enter the upper living rooms – were completed in 2010. The house shall be a studying place and a meeting center for young artists.     

Design rules for lateral torsional buckling of channel sections subject to web loading

Bemessungsregeln für das Biegedrillknicken von U‐Querschnitten unter Belastung in Stegebene. In der Praxis kommen häufig U‐Querschnitte zum Einsatz. Eurocode 3 enthält jedoch keine Bemessungsregeln für exzentrisch, d.h. nicht im Schubmittelpunkt, belastete Träger mit U‐Querschnitt. In diesem Beitrag werden fünf Bemessungsvorschläge vorgestellt, erläutert und ihre Anwendbarkeit mit Hilfe von Finite‐Element‐Berechnungen überprüft. Die berechneten Tragfähigkeiten der Bemessungsmodelle werden mit Traglasten verglichen, die auf Grundlage von geometrisch und materiell nichtlinearen Berechnungen an Trägern mit Imperfektionen (GMNIA) ermittelt wurden. In der numerischen Parameterstudie werden die Querschnittsabmessungen, das Verhältnis von Spannweite zur Trägerhöhe, der Lasttyp und der Lastangriffspunkt variiert. Die Belastung wirkt jedoch lediglich in Stegebene. Basierend auf einem der bisherigen Bemessungsvorschläge wird im Rahmen dieser Untersuchung ein neuer Bemessungsvorschlag formuliert, der die Regelungen des Eurocode 3 widerspruchsfrei ergänzt.     

Bauphysikalische, ökologische und ökonomische Bewertung von geförderten Sanierungskonzepten in Wien

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

Bauteile aus Stahlfaserbeton und stahlfaserverstärktem Stahlbeton

Mit der zu erwartenden Einführung der Richtlinie “Stahlfaserbeton” des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) entsteht für den Verbundwerkstoff Stahlfaserbeton ein neues, breites Spektrum an zusätzlichen Anwendungsmöglichkeiten. Durch die Wirkung der Fasern im Beton können nach Überschreitung der Betonzugfestigkeit nennenswerte Kräfte zwischen den Rissufern übertragen und bei der rechnerischen Erfassung des Tragverhaltens berücksichtigt werden. Im Aufsatz werden Vorgehensweisen, Hilfsmittel und ein auf Tabellenkalkulationen und Optimierungsmethoden basierendes Programm zur Biegebemessung und Verformungsabschätzung von Querschnitten und Systemen aus Stahlfaserbeton und stahlfaserverstärktem Stahlbeton entwickelt. Grundlage sind die bekannten Bemessungsansätze und ‐hilfsmittel für Stahlbetonquerschnitte. Die Anwendung der Hilfsmittel – auch für Verformungsabschätzungen auf Basis nichtlinearer Verfahren – zeigen zwei Beispiele. Structural Elements of Steel Fibre Reinforced Concrete with or without Bar Reinforcement Tools for Design and Deflection Estimations according to the Guideline “Stahlfaserbeton” by DAfStb The expected release of the guideline “Stahlfaserbeton” by ‘German Committee for Reinforced Concrete’ (DAfStb) offers a wide application range for the composite material steel fibre reinforced concrete (SFRC). Due to additional steel fibres in concrete considerable tension forces can be transferred between crack edges after reaching plain concrete's tensile strength. These forces can be accounted for in calculation of load bearing capacity. Adapted from common design methods and tools for plain reinforced concrete new procedures, tools and a computer application – based on spreadsheet analysis and optimisation methods – for SFRC are presented in this article. These allow for both bending design as well as deflection estimation of crosssections and structural systems made of SFRC with and without additional rebars. Their application – also in case of deflection estimation using non‐linear methods – is demonstrated in two elaborated examples.     

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

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

Die Entwicklung der orthotropen Fahrbahnplatte in Deutschland

Es wird die Entwicklung der orthotropen Platte von den ersten von Schaechterle und Leonhardt gestalteten Konstruktionen bis hin zu den konstruktiv und technologisch ausgereiften stählernen Fahrbahntafeln bei den neuesten stählernen Straßenbrücken der letzten Jahre beschrieben. Dabei werden insbesondere die im Entwicklungszeitraum angewendeten unterschiedlichen Rippenformen mit ihren Kreuzungspunkten an den Querträgern und die Ausführung der Montagestöße detailliert beschrieben. Technische Parameter der orthotropen Platte ausgeführter Stahlbrücken werden für torsionsweiche und torsionssteife Rippenformen tabellarisch getrennt erfasst. Schäden infolge Verkehrsbelastung und Fehler bei der Herstellung von orthotropen Platten werden erwähnt. The development of the orthotropic roadway‐plate in Germany. The development of the orthotropic plate beginning with the first of Schaechterle and Leonhardt created constructions till to the constructive and technological ingenious steel‐plates of the ultimate years is described. Especially the different types of ribs while the period of development inclusive the crosspoints at the crossbeams and their erection connections are special described. Technical parameter of the orthotropic plates of executed steel‐bridges are for ribs with and without torsional constant tabulated registered. Defects by traffic and faults by erection of the orthotropic plates are mentioned.