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.     

Statische und dynamische Axialdruckversuche an vergrouteten Rohr‐in‐Rohr‐Verbindungen mit verschiedenen Füllmaterialien

In diesem Beitrag wird über Ergebnisse von experimentellen und numerischen Untersuchungen an vergrouteten Rohr‐in‐Rohr‐Verbindungen berichtet, die am Institut für Stahlbau der Leibniz Universität Hannover durchgeführt wurden. Diese sogenannten “Grouted Joints” kommen z. B. als Verbindungselemente zwischen dem im Boden eingerammten Pfahl und dem Turm einer Offshore‐Windenergieanlage zum Einsatz. An deutlich kleineren Prüfkörpern wurden Axialdruckversuche im Labor durchgeführt, um den Unterschied zwischen glatten und gerippten Stahlrohrmantelflächen im Grenzzustand der Tragfähigkeit und Ermüdung aufzuzeigen. Dabei kamen auch verschiedene Füllmaterialien für den Ringspalt zum Einsatz. Die Tragfähigkeit bei den Prüfkörpern mit glatten Rohrmantelflächen ist hauptsächlich von der Haftfestigkeit des Füllmaterials auf den Stahloberflächen und deren Beschaffenheit abhängig. Durch die Anordnung von Schubrippen kann die Trag‐ und Ermüdungslast um ein Vielfaches gegenüber der glatten Variante gesteigert werden. Dies ist hauptsächlich auf die Wirkung von Druckstreben zwischen den Schubrippen zurückzuführen, deren Tragfähigkeit sich mit zunehmender Druckfestigkeit des Füllmaterials erhöht. Mit einem Bemessungsmodell kann unter Berücksichtigung der Druckstrebentragfähigkeit und Anzahl der Schubrippen die Traglast von Grouted Joints abgeschätzt werden. Static and dynamic axial compression tests on grouted tube‐in‐tube connections with various grout materials. This paper summarises static and dynamic axial compression tests on small scale grouted joints for offshore wind energy converters. The connection is mostly used between driven monopiles and tower sections as tube‐in‐tube connection. The gap between the tubes is filled with grout materials. The test series comprises grouted joints with smooth and ribbed surfaces of the tubes which are loaded by axial compression. The ultimate and fatigue limit state of the connection can be increased with shear keys along the overlapped length of the tubes to get a ribbed contact surface to the grout. In this case the axial load is transferred by compression struts between the shear keys. The bearing capacity depends mainly on the compressive strength of the grout and the geometry of the shear keys. In addition to the experimental results an analytical design concept is presented within this paper for grouted joints with shear keys. With the analytical model the axial load capacity of the grouted joint can be determined under consideration of the compression struts and number of shear keys.     

Einfluss imperfekter Ringflanschverbindungen auf die Ermüdungsfestigkeit von kreiszylindrischen Stützen

Bei Seilbahnen, Windenergieanlagen, Kaminen etc. werden oft turmartige Stahlkonstruktionen aus kreiszylindrischen oder konischen Rohrabschnitten verwendet, welche mittels L‐förmiger Flanschverbindungen verschraubt sind. Auf Grund von Imperfektionen zufolge Schweißverzug und hohen dynamischen Beanspruchungen werden häufig die Grenzen der Beanspruchbarkeit der Flanschverbindungen erreicht. In vielen Fällen ist nicht der Nachweis der Traglast (ULS) von Bedeutung, vielmehr ist der Grenzzustand der Ermüdung (FLS) maßgebend für die Dimensionierung. Der vorliegende Beitrag beinhaltet die Untersuchung imperfekter Ringflanschverbindungen von kreisförmigen Seilbahnstützen auf Ermüdung. An einem Bauteilversuch im Maßstab 1 : 1 wurde die Ermüdungsfestigkeit der gesamten Flanschverbindung (Schrauben, Schweißnaht, Rohrmantel) untersucht. Parallel durchgeführte FE‐Berechnungen dienen als Vergleich zu den Laborergebnissen. Zum Abschluss wird eine Möglichkeit der Berücksichtigung der Flanschimperfektionen für die praktische Bemessung aufgezeigt. Effects of imperfect ring flange connections on the fatigue resistance of cylindrical columns. For cableway installations, wind turbines, chimneys etc. often tower‐like steel constructions from cylindrical or conical tubing sections are used, which are bolted by means of L‐shaped flange connections. Due to imperfections from welding distortion and high dynamic loads the resistance of the flange connections will be frequently achieved. In many cases the ultimate load (ULS) proof becomes less important and the fatigue assessment (FLS) is determining the dimensions. This contribution contains investigations of imperfect flange connections of circular cable car towers on fatigue. A large scale test was performed to prove the fatigue strength of the entire flange connection (bolts, welding seam, tube section). Parallel accomplished FE‐computations serve as comparison to the laboratory test results. As conclusion a possible procedure to consider flange imperfections for the practical dimensioning is pointed out.     

Versuche zur Ermüdungsfestigkeit alter Betonstähle

Die Frage der Ermüdungssicherheit hat im Zusammenhang mit der Überprüfung bestehender Stahlbetonbauwerke, insbesondere Brücken, an Aktualität gewonnen. Während auf der Einwirkungsseite die Anzahl der Lastwechsel und die Lasten, die die Brücke im Laufe ihres Lebens erfahren hat, von Bedeutung sind, sind es auf der Widerstandsseite die Genauigkeit des Tragwerkmodells und die Materialkennwerte. Mit Letzteren befasst sich dieser Aufsatz. Der wichtigste Parameter auf der Widerstandsseite ist die Ermüdungsfestigkeit des Betonstahls. Mittels Dauerschwingversuchen wurde die Ermüdungsfestigkeit von vier Betonstahlsorten ermittelt. Zwei Sorten stammen von abgebrochenen Brücken aus den 1950er Jahren; zwei weitere sind kürzlich produzierte Sorten von Ring‐ und Stabmaterial der Betonstahlsorte B 500 B. Das Ziel der Versuche bestand darin, festzustellen, ob das Alter einer Stahlbetonkonstruktion einen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Betonstahls hat. Im Aufsatz werden die Problematik beim Nachweis der Ermüdungssicherheit bestehender Brücken kurz geschildert, die Versuche beschrieben und deren Resultate diskutiert. Fatigue Tests with Old Reinforcing Steels Recently, fatigue safety has become an issue with respect to surveying the condition of existing structures, in particular bridges. While questions considering traffic loads and frequencies dominate the calculations of the appropriate load scenarios, the accuracy of the structural model and material properties play a vital role for the calculation of the resistance. This article deals with the latter. The most important parameter on the resistance side is the fatigue strength of the reinforcement. Therefore, fatigue strength of four brands of reinforcing steel was determined in fatigue tests. Two brands of reinforcement bars could be gathered during demolition work of two bridges which were built in the 1950ies. Another two brands of new reinforcing steel B 500 B, a rod‐steel and a steel from the roll, were tested. The aim of the tests was to prove whether age and environment of the built‐in reinforcement bars affect their fatigue resistance or not. The article briefly describes the difficulties with verifying the fatigue safety of existing bridges while the main part deals with the experimental work and the discussion of the test results.     

Ermüdungsverhalten geschweißter Rohrknoten von Fachwerkverbundbrücken

Im Verbundbrückenbau werden in letzter Zeit anstatt vollwandiger Ausführungsvarianten vermehrt aufgelöste Fachwerkkonstruktionen aus Stahlhohlprofilen eingesetzt, da diese sowohl in Bezug auf gestalterische Grundsätze als auch hinsichtlich konstruktiver Gesichtspunkte Vorteile versprechen. Hierbei wird insbesondere bei Brückenentwürfen, deren Ausgestaltung eine Vielzahl unterschiedlicher Knotengeometrien erfordert, aus wirtschaftlichen Gründen die Verbindung zwischen Füllstab und Gurtrohr bevorzugt mit direkt geschweißten Knoten anstatt mit Stahlgussknoten ausgeführt. Aufgrund der durch die Knotengeometrie bedingten Spannungskonzentration im Bereich der Schweißnahtkerbe wird der Brückenentwurf bei dieser Ausführungsvariante maßgeblich von der dort vorherrschenden Ermüdungsfestigkeit beeinflusst. Nachdem die in den einschlägigen Normen bereitgestellten Nachweisverfahren gegen Ermüdung für die üblichen im Brückenbau verwendeten Abmessungen nicht anwendbar sind, ist die versuchstechnische Untersuchung zur Absicherung eines ausreichenden Ermüdungswiderstandes bisher unabdingbar. Dieser Beitrag bezieht sich auf insgesamt sieben Versuchskörper, die im Rahmen des Neubaus der Autobahnüberführung Suhl–Lichtenfels auf Ermüdung geprüft wurden. Fatigue behaviour of welded pipe intersections in steel‐concrete composite bridges. In the construction of modern steel‐concrete composite bridges, the steel part is increasingly built by circular hollow sections instead of steel plates. This type of bridge design shows advantageous characteristics concerning architectural aspects as well as benefits in the static load transfer. Especially if the design of the truss girder requires a large number of different node geometries, the connection between the braces and the lower and upper chord are for economic reasons preferably build by directly welded nodes instead of cast steel nodes. Due to the local joint discontinuity of the pipe intersections, the stress distribution is enhanced exactly in the area of the welding seams. As a consequence, the limited fatigue behaviour of the pipe intersections represents the critical aspect in the design of tubular truss‐girder bridges. The difficulties in the design of this construction type are due to the fact that the criterions for fatigue verification given in the current codes do not cover the typical dimensions used in bridge design. Therefore until now it is unavoidable to conduct large‐scale tests in order to verify a sufficient fatigue resistance. This article refers to a total of seven specimens tested on fatigue during the construction of the new Highway Overpass Suhl– Lichtenfels.     

Zum Last‐Verformungsverhalten von Schrauben in vorgespannten Ringflanschverbindungen mit überbrückten Klaffungen im Hinblick auf die Ermüdungsvorhersage

Im Rahmen des europäischen RFCS (Research Fund for Coal and Steel) Projektes HISTWIN werden seit 2005 Untersuchungen an konventionellen Ringflanschen im Hinblick auf die Ermüdungssicherheit der Verbindungsmittel durchgeführt. Hauptaugenmerk liegt hierbei auf der Prüfung von Methoden zur Instandsetzung von Flanschimperfektionen und den daraus resultierenden Klaffungen. Werden diese nicht ausgebessert sondern lediglich “beigezogen”, so führt dies zu erhöhten Ermüdungsbelastungen und einem vorzeitigen Versagen des Verbindungsmittels. Deswegen werden hier wesentlich zuverlässigere Alternativen der Überbrückung von Flanschklaffungen mit Hilfe von Futterblechen und expliziten Vorspannabfolgen vorgeschlagen. Zum Nachweis der Wirksamkeit dieser einfachen Reparaturmethoden wurden Versuche durchgeführt und ausgewertet, welche den Schluss zulassen, dass bei sachgemäßer Reparatur der Flanschklaffungen mit keiner reduzierten Lebensdauer der Verbindungsmittel zu rechnen ist. Load‐deformation behaviour of preloaded bolts in ring flange connections with bridged gaps with regard to a fatigue behaviour prediction. Within the scope of the European research project RFCS (Research Fund for Coal and Steel) HISTWIN, conventional ring flange connections have been studied focusing on the fatigue resistance these connections. Often these ring flange connections provide certain imperfections like gaps etc. unless they are machined. Without repairing these gaps result in an increased fatigue loading of the bolt and an early failure of the connection. Therefore reliable alternatives for retrofitting these gaps by means of lining plates are proposed for which two methods have been studied. Furthermore large scale tests have been performed at ring flange connections to prove the effectiveness of the proposed retrofitting methods. It could be found that repairing of the gap‐imperfection as proposed in the paper leads to an unreduced fatigue life of the bolts.     

Zum Tragverhalten von Verbunddübeln – Teil 1: Tragverhalten unter statischer Belastung

Verbunddübel stellen eine sehr tragfähige und robuste Verbindung auch bei hochfesten Betonen zwischen Stahlbauteilen und Betonquerschnitten dar. Die Herstellung des Stahldübels ist dabei einfach und wirtschaftlich. Mittels Verbunddübelleisten lassen sich neue Querschnitte für den konstruktiven Ingenieurbau entwickeln. Halbierte Walzprofile, die mit der speziellen Geometrie der Verbunddübel geschnitten wurden, werden als außenliegende Bewehrung im Verbundbau eingesetzt. In zwei Teilaufsätzen wird die Bemessung der Verbunddübel für unterschiedliche Randbedingungen und Belastungsarten erläutert. Der erste Beitrag befasst sich mit der Technologie der Verbunddübel, deren Tragverhalten und der Bemessung der Verbindung unter ruhender Belastung. Das Ermüdungsverhalten ist Schwerpunkt in einem zweiten Aufsatz. Die Problemstellung wird ausführlich erläutert und ein Bemessungsvorschlag auf Grundlage des Strukturspannungskonzeptes vorgestellt. Load bearing behaviour of composite dowels – Static loads (part I). Composite dowels realise a high load bearing capacity for connections between concrete and steel. The technology establishes a short time and cost‐effective production process. Using composite dowels for shear transmission new and innovative cross‐sections can be designed. Halved rolled sections which have been cut along with a specific dowel geometry are applied as external reinforcement. The publication is divided into two parts describing design of composite dowels for different boundary conditions and load cases. Foremost the technology, their load bearing behaviour, the design concepts for composite dowels for static loads are highlighted. The behaviour under cyclic load, will be introduced in a second part. The fatigue behaviour will be explained in detail and design concepts based upon the hot spot stress will be given.     

Zum Tragverhalten von Verbunddübeln — Teil 2: Ermüdungsverhalten

Verbunddübel stellen eine sehr tragfähige und robuste Verbindung zwischen Stahlbauteilen und Betonquerschnitten dar. Mittels Verbunddübelleisten lassen sich neue Querschnitte für den konstruktiven Ingenieurbau entwickeln. Der erste Teil der Veröffentlichung befasste sich mit der Technologie der Verbunddübel, deren Tragverhalten und der Bemessung der Verbindung unter ruhender Belastung. Für den Einsatz in Brücken ist das Verhalten unter dynamischen Lasten von Bedeutung und Schwerpunkt dieses Beitrages. Das Ermüdungsverhalten der neuartigen Verbindung wird anhand von zyklisch belasteten Biegeträgern untersucht, mit numerischen Simulationen verglichen und ein Bemessungsvorschlag auf Grundlage des Strukturspannungskonzeptes vorgestellt. Dabei wird sich auf die Betrachtung von Dübelleisten mit modifizierter Klothoidenform (MCL) beschränkt. Load bearing behaviour of composite dowels — Fatigue behaviour (part II). Composite dowels realise a high load bearing capacity and ductile connection between steel members and concrete parts. Using these composite dowels for shear transmission new systems of composite construction can be designed. The first part deals with the technology of composite dowels, it’s bearing behaviour and the design of the connection under static loads. For the use in bridges the cyclic load bearing behaviour becomes more important and on this is the focus of this paper. The behaviour of the new connection under fatigue loads is investigated by cyclic loaded simple supported beam tests compared to numerical simulations and a design concept is established on the basis of a hot spot model. The investigations are restricted to composite dowels implementing the modified clothoidal shape (MCL).     

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.     

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.     

Sandwichtürme für Windenergieanlagen mit höherfesten Stahl‐ und Verbundwerkstoffen

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

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.     

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.     

Berechnung des Abhebens von verankerten Flüssigkeitsbehältern unter Erdbebeneinwirkung

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

Wandsysteme aus Fertigteilen für große Höhen

Bei Hallenbauten werden die Außen‐ oder Innenwände oft aus zwischen den Stützen übereinander angeordneten Wandelementen aus Stahlbeton‐Fertigteilen erstellt. Je nach den individuellen bautechnischen Anforderungen kann auf dem obersten Wandelement noch ein weiterer Wandaufbau aus leichten Porenbetonplatten erfolgen. Die Befestigung derartiger Wandelemente an den seitlich angeordneten Stützen oder anderen Bauteilen erfolgt entweder punktförmig, beispielsweise durch Dollen, oder kontinuierlich, z. B. durch Seilschlaufen. Zusätzlich können diese Wände, bei entsprechender Ausbildung auch als aussteifende Wandscheiben zur Aussteifung des Gesamtsystems oder als Brandwände genutzt werden. Bei der Detailausführung und dem Stabilitätsnachweis derartiger Wandscheiben sind einige Besonderheiten zu beachten, auf die in diesem Aufsatz eingegangen werden soll. Wall Systems for Exceptional Heights For industrial hall constructions, the outside and/or inside walls are very often constructed as precast panel wall systems, with single concrete wall panels mounted on top of each other. According to the design requirements the top panel can be loaded by the weight of a further wall system, very often consisting of lighter aereated concrete panels. The wall panels are normally fixed either at defined points by dowels or continuously, e.g. by a wire rope loop system. Furthermore, these wall systems, if appropriately constructed, can be used as stiffening members for the overall construction or as fire walls. For the detailing, dimensioning and stability analysis of these wall panels some special features have to be observed, which will be pointed out in this paper.     

Zur Ermittlung der Normalkraft‐Verlängerung und Moment‐Krümmung‐Beziehungen der Stahlbetonbauteile im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkei

Die Nachweise zur Begrenzung der Verformungen von Stahlbetonbauteilen sind infolge der Verwendung von Baustoffen höherer Festigkeiten immer wichtiger geworden, oft sogar maßgebend. Eine Verdopplung der Betondruckfestigkeit eines normalen Betons ruft eine etwa 20%ige Erhöhung des E_c‐Moduls hervor aber keine des Betonstahls, da E_s konstant ist. Dies und die dementsprechend schlanker gewordenen Stahlbetonbauteile führen zu größeren Verformungen – Verlängerungen, Durchbiegungen und/oder Verdrehungen – die deren Verhalten beeinträchtigen können. Die für die Ermittlung der Verformungen benötigten “Normalkraft‐mittlere Dehnungslinien”, bzw. “Moment‐mittlere Krümmungslinien” werden erläutert. About the Calculation of Displacements of Reinforced Concrete Members in the Serviceability Limit State The verification of reinforced concrete elements for the purpose of limiting deformations has become increasingly important, often even decisive, as a result of the use of higher strength materials. A doubling of the compressive strength of a normal concrete causes an increase of about 20% in the E_c‐module, and none of reinforcing steel, because E_s is constant. This and, accordingly, the slender reinforced concrete elements lead to larger deformations – elongations, deflections and/or rotations – which may affect their behaviour. The determination of “axial tensile force – mean strain diagrams”, respectively “bending moment – mean curvature diagrams”, needed for the calculation of the displacements, is explained.     

Querkrafttragfähigkeit von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung

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

Risikobasierter Ansatz zur Bewertung der Robustheit von Bauwerken

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

A numerical model for roof detailing of cold‐formed purlin‐sheeting systems

Ein numerisches Modell zur Detailausbildung von Dachsystemen aus kaltgeformten Pfetten mit Blecheindeckung. In den aktuellen Regelwerken werden unterschiedliche Methoden vorgeschlagen, wie die Details von geschraubten Dachsystemen ausgeführt werden können, die aus kaltgeformten Pfetten mit einer Blecheindeckung bestehen. Die gesamte Verankerungskraft des Daches und die lokalen Kräfte in den Verbindungsmitteln werden mit dem Ziel ermittelt, die Detailausbildung der Auflagerung und der Verbindung zwischen Pfette und Dachblech zu bemessen. Hierfür werden die Faktoren “R” und “r” eingeführt, um die Stabilisierungskräfte zu beschreiben, die an den Auflagern und den Halterungen im Feld erforderlich sind. Die beiden Faktoren sind bereits in einigen Regelwerken des Stahlbaus enthalten. Hier soll dargestellt werden, dass diese Faktoren aber auch mit Hilfe eines vereinfachten Finite‐Element‐Modells des gesamten Dachsystems direkt berechnet werden können. Ein Vergleich mit anderen vorhandenen Näherungslösungen wird durchgeführt, um zu zeigen, dass das vorgeschlagene Modell ein äußerst hilfreiches Werkzeug für den Entwurf und den Nachweis der tragenden Bauteile ist. Es kann weiterhin gezeigt werden, dass das beschriebene Vorgehen der Berechnung allgemein gültig ist und an neuartige Dachsysteme, die in den aktuellen Regelwerken noch nicht berücksichtigt sind, einfach angepasst werden kann. Damit kann zum Beispiel die Lücke in Eurocode 3, Teil 1‐3, Abschnitt 10, ausgefüllt werden, da das Vorgehen im Gegensatz zu den Annahmen des Eurocode, der eine volle seitliche Halterung voraussetzt, eine elastische seitliche Halterung berücksichtigen kann.     

Entwicklung allgemeiner Entwurfsgrundsätze für Hängernetze von Netzwerkbogenbrücken

Um die statischen Vorteile von Netzwerkbogenbrücken effizient nutzen zu können, ist die Anordnung der Hänger von großer Bedeutung. Der Tragwerksentwurf wird deshalb wesentlich von der Wahl des Hängernetzes bestimmt. Hängerneigung, Hängeranzahl und die Lage der Hängeranschlusspunkte beeinflussen die Spannungszustände sowohl in Bogen und Versteifungsträger als auch in den Hängern in erheblichem Maße. So wird zum Beispiel die Größe der Biegemomente in Bogen und Untergurt durch die Anzahl der Hänger und die damit verbundenen Abstände der Anschlüsse bestimmt. Des Weiteren ist die Hängerneigung ein entscheidender Faktor für die Anzahl der Ausfälle der druckschlaffen Hänger oder die Größe der Spannungsamplituden der Hänger. Nicht minder wichtig ist jedoch auch das ästhetische Erscheinungsbild des Tragwerkes, welches erheblich durch die Art und Weise der Hängeranordnung geprägt wird. Um das effizienteste Hängernetz zu ermitteln, werden fünf mögliche Hängernetze mit variierenden Hängerneigungsparametern, Stützweiten und Bogenhöhen (f/l‐Verhältnisse) hinsichtlich gezielt ausgewählter statischer Kriterien untersucht und bewertet. Daraus resultierend werden Empfehlungen formuliert, die dem Ingenieur die Wahl eines für entsprechende Rahmenbedingungen geeigneten Hängernetzes erleichtern. Abschließend erfolgt ein Vergleich zwischen einer Brücke mit einem nach den erhaltenen Erkenntnissen konstruierten Hängernetz und einem Tragwerk, bei dem die Hänger ähnlich zu bereits ausgeführten Netzwerkbogenbrücken angeordnet sind. Development of general design principles for the hanger arrangements of network arch bridges. To use the static advantages of network arch bridges efficiently, the arrangement of the hangers is very important. The stress conditions in the arch and lower chord are strongly affected by the slope of the hangers, the number of the hangers and the position of the hanger connection points. For example, the size of the bending moments in the arch and lower chord depends on the number of hangers and the associated distances between the connection points. Furthermore, the slope of the hangers is a decisive factor for the number of relaxed hangers and the size of the stress amplitudes. Not less important is the aesthetic view of the structure, which is influenced by the kind of hanger arrangement. To optimize the hanger‐network, different kinds of hanger arrangement methods have been investigated, considering different hanger slopes for each hanger. Five different and possible hanger arrangements with varying parameters (slope of the hangers, number of the hangers, span of the bridge, arch rise) have been analysed in respect to systematic selected static criterions. On the basis of these investigations, recommendations are given for engineering applications how to choose an optimized hanger arrangement according to different geometrical bridge parameters. Finally, a comparison between a network arch, based on the results of the analyses, and a structure with a hanger slope similar to existing network arch bridges is shown to clarify the advantages of the developed hanger arrangement.