Ingenieurbauwerke zeichnen sich u. a. durch ihre Individualität und ihre Langlebigkeit aus. Daher spielt die messtechnische Überwachung von Ingenieurbauwerken eine entscheidende Rolle. Mithilfe von Methoden der Strukturüberwachung können Veränderungen oder Schäden frühzeitig detektiert, lokalisiert und ggf. sogar quantifiziert werden. In Kombination mit einer numerischen Modellbildung können darüber hinaus Digitale Zwillinge erschaffen werden. Digitale Zwillinge bilden Bauwerke über ihr gesamtes Leben ab und können somit helfen, sowohl den Entwurf als auch den Betrieb zu optimieren. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Methoden der Strukturüberwachung ist deren Validierung im Zusammenhang mit realen Anwendungen. In diesem Beitrag wird daher eine Teststruktur vorgestellt, die explizit zur Validierung von Methoden der Strukturüberwachung entwickelt wurde. Die Messdaten der Struktur stehen für Forschungs- und Industrieanwendungen frei zur Verfügung. Zwei unterschiedliche Methoden (daten- und modellbasiert) zur Schadenslokalisation werden vorgestellt, verglichen und validiert.

Validation of data- and model-based methods for damage locations
Civil engineering structures are, inter alia, characterised by their individuality and longevity. Therefore, monitoring of such structures is decisive. Structural health monitoring methods are able to detect, localise and even quantify damage or structural changes in general. In combination with numerical modelling, it is possible to create digital twins. Digital twins represent structures over their entire lifetime. Therefore, they can help to optimise both design and operation of a structure. A challenge for developing structural health monitoring methods is their validation in the context of real applications. Therefore, this paper presents a benchmark structure, which has explicitly been designed for validating structural health monitoring methods. Monitoring data from this structure is freely available for research and industrial purposes. Two different methods (data- and model-based) for damage localisation are presented, compared and validated.

Infraleichtbeton (ILC) erlaubt mehrgeschossige Wohnungsbauten aus großformatigen Fertigteilen, weil er fester ist als andere Dämmbetone. Da der Werkstoff gleichzeitig trägt und dämmt, entfallen komplizierte (bau-)konstruktive Schnittstellen. Er bietet somit eine monolithische Alternative zum Bauen mit Wärmedämmverbundsystemen (WDVS). Großformatige Elemente aus diesem Werkstoff haben den Vorteil, dass der Fugenanteil minimiert werden kann, wodurch die Kosten für Fügung und Montage reduziert werden. Im Folgenden wird das Konzept des DBU-geförderten Forschungsprojekts ILVO (Vorfabrikation von Fertigteilen aus Infraleichtbeton) vorgestellt. Der Bezug zur Geschichte des Bauens mit vorgefertigten Elementen aus Beton der 1960er-Jahre wird erörtert. Vorbilder bzw. Referenzen, welche die Bearbeitung der Varianten begleitet haben, werden erläutert. Für jede Variante werden ein historisches Referenzprojekt, das Konzept, das Element und die Konstruktion erklärt.

Constructing with large components of infra-lightweight concrete (ILC) - three constructive design options for multi-story housing
In contrast to other insulating concretes, due to its strength, it is possible to build multi-story housing with Infra-Lightweight Concrete (ILC). Since the material simultaneously supports and insulates, complicated (structural) design interfaces are eliminated. It thus offers a monolithic alternative to building with external thermal insulation composite systems. Large components made of this material have the advantage that the proportion of joints can be minimized, which reduces the costs of joining and assembly. In the following the DBU funded project ILVO (prefabrication of large components of ILC) is introduced, and the developed concept explained. A connection to the history of building with prefabricated elements of concrete in the 1960s is drawn - role models and references that have accompanied the development of variations, are introduced. For every variation a historic reference, the concept, the element, and the construction are explained.

Adaptive Gebäudehüllen und Tragwerke sind ein möglicher Weg hin zu mehr Ressourceneffizienz im Bauwesen. Eine aktive Manipulation der Geometrie und des Tragwerkverhaltens ermöglicht es, Spannungsverteilungen zu optimieren, Verformungen zu reduzieren und Schwingungen zu dämpfen. Adaptive Gebäudehüllen wiederum können sich an wechselnde Bedingungen im Innen- bzw. Außenbereich anpassen und besser auf Nutzerbedürfnisse eingehen als herkömmliche Systeme. Adaptivität bedeutet die Manipulierbarkeit der Gebäudehülle oder des Tragwerks - und erfordert daher Aktuierung, Sensorik, Steuerungstechnik und Regelungskonzepte. Das übergeordnete Ziel der Adaptivität ist eine Minimierung des Material- und Energieverbrauchs sowie eine Reduktion der mit dem Bauwerk verbundenen direkten und indirekten Emissionen von Treibhausgasen. Das Konzept der Adaptivität wird seit vielen Jahren an der Universität Stuttgart erforscht. Seit 2017 sind diese Arbeiten im interdisziplinären Sonderforschungsbereich SFB 1244 zusammengefasst. Zur Verifizierung der gesammelten Erkenntnisse wurde auf dem Universitätscampus in Stuttgart-Vaihingen Anfang 2021 der Demonstrator D1244 errichtet - das weltweit erste adaptive Hochhaus. Das ca. 36,5 m hohe Gebäude dient als multifunktionale Experimentalplattform, in dessen Stahltragwerk 24 hydraulische Aktoren integriert sind. Jedes Bauteil kann einzeln entnommen und gegen neu entwickelte adaptive Systeme ausgetauscht werden. Der Demonstrator erlaubt in den kommenden Jahren eine flexible Erprobung und Validierung unterschiedlichster Technologien und Materialien im Bereich des Tragwerks und der Fassade.

The demonstrator D1244: the first adaptive high-rise building worldwide
Adaptive skins and structures can make a substantial contribution towards an increased resource efficiency in the built environment. The active manipulation of a structure's geometry and load-bearing behaviour allows for optimized stress distribution as well as reduced deflections and vibrations. Adaptive facades, on the other hand, can react to varying environmental conditions and user needs much better than conventional systems. In order to manipulate building skins or structures, actuators, sensors and control hardware have to be designed along with the respective control concepts. The overall target is to minimize energy and material usage along with all related greenhouse gas emissions. For many years, researchers at the University of Stuttgart have investigated the concept of adaptivity. Starting in 2017, this research has been consolidated in the collaborative research centre CRC 1244. In 2021 the demonstrator D1244 - the world's first adaptive high-rise building, has been built to validate the scientific work carried out so far and to test the technologies developed at the University of Stuttgart. The tower is 36.5 m high and has 24 hydraulic actuators integrated in its steel structure. It will serve as a multi-purpose experimental platform in both the fields of structures and facades. Each element can be replaced with newly developed adaptive systems, thus allowing a flexible testing and validation of different technologies and materials over the coming years.

Das Bauen mit Betonfertigteilen birgt viele Vorteile wie Kosten- und Planungssicherheit, Präzision sowie Effizienz. In den meisten Fällen ist die Herstellung von Betonfertigteilen nicht vollständig automatisiert. Es existieren viele manuelle Arbeitsschritte, die eine weitere Steigerung der Produktivität hemmen. Grundlage für die vollständige Automatisierung ist der Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik. Ein Digitaler Zwilling als integriertes Datenmodell ist dafür notwendig. Im vorliegenden Beitrag wird untersucht, wie durch Kombination aktueller Konzepte des Building Information Modeling (BIM) mit Methoden aus dem Kontext der Industrie 4.0, die eine weitestgehend selbstorganisierte und dezentrale Produktion ermöglichen, die Grundlage zur vollständigen Automatisierung und Vernetzung aller Produktionsschritte gegeben werden kann. Basierend auf der Verwaltungsschale, die der Umsetzung des Digitalen Zwillings in der Industrie 4.0 dient, wird durch die Entwicklung von Daten- und Interaktionsmodellen für die industrialisierte Produktion eine geeignete Beschreibung für Digitale Zwillinge von Betonfertigteilmodulen erarbeitet.

Digital twin for the automated production of precast concrete elements
Using precast concrete elements in construction has many advantages, such as cost and planning reliability, precision, and efficiency. In most cases, the production of precast concrete elements is not fully automated. There are many manual work steps that prevent a further increase in productivity. The basis for full automation is the use of information and communication technology. A digital twin as an integrated data model is necessary for this. This paper examines how the combination of Building Information Modeling with methods from the context of Industry 4.0, which enable largely self-organized and decentralized production, can provide the basis for the complete automation and networking of all production steps. Based on the administration shell, which implements the digital twin in Industry 4.0, a suitable description for digital twins of precast concrete modules is being developed by developing data and interaction models for industrialized production.

Das automatisierte Bauwerksmonitoring auf Basis Digitaler Zwillinge hat sich als eine zeit- und kostengünstige Ergänzung zu manuellen Inspektionen bewährt, um ein vorausschauendes, prädiktives Instandhaltungsmanagement von Infrastrukturbauwerken zu gewährleisten. Digitale Zwillinge verknüpfen Sensordaten mit digitalen Modellen und Algorithmen, sodass Zustands- und Bestandsinformationen generiert und den Entscheidungsträgern in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden können. Üblicherweise ist ein Digitaler Zwilling jedoch als sogenannte Single Source of Truth in Form zentraler Modelle auf einem zentralen Server situiert, sodass sehr große Datenmengen von den Sensoren vor Ort zum zentralen Server gesendet werden und der Server bei einem Ausfall das gesamte Monitoring zum Erliegen bringen würde. Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse einer Machbarkeitsstudie vorgestellt, in der Digitale Zwillinge nicht mehr nur als Zentralmodell realisiert, sondern als digitale Modelle mit Algorithmen direkt in die Sensoren eingebettet werden. Jeder Sensor enthält damit einen partiellen Digitalen Zwilling seiner Umgebung, der mit den Digitalen Zwillingen weiterer Sensoren kommuniziert, sodass sich durch die Summe der einzelnen Modelle ein vollwertiger Digitaler Zwilling des gesamten Bauwerks ergibt. Die Machbarkeitsstudie wird beispielhaft anhand eines drahtlosen Bauwerksmonitoringsystems umgesetzt und dessen Praktikabilität am Monitoring einer Fußgängerbrücke aufgezeigt.

Sensor-integrated digital twins for wireless structural health monitoring of civil infrastructure
Digital twins constitute a promising technology that lies at the core of emerging trends within Industry 4.0, such as cyber-physical systems and the Internet-of-Everything. The civil engineering community has been showing increasing interest in adopting digital twins for operation and management purposes, e. g. within the framework of structural health monitoring (SHM). In particular, SHM stands to benefit from the enhanced predictive capabilities of digital twins, which yield richer information on structural conditions than conventional models. However, adapting state-of-the-art digital twins to modern SHM strategies, which rely on wireless technologies, is hardly straightforward. Specifically, digital twins that model a physical process are usually centralized and updated using large amounts of data collected from the physical process. By contrast, wireless SHM systems are distributed, and wireless SHM strategies typically focus on minimizing wireless communication, which is unreliable and power-consuming. In this context, this paper presents the results of a feasibility study that discusses the practical considerations of embedding digital twins in wireless SHM systems. Through field tests on a pedestrian bridge, instrumented with a wireless SHM system, the decentralized embedment of a digital twin - in the form of partial digital twins - into the wireless sensor nodes is reported. The field test results indicate that decentralized digital twins can advantageously be used for advancing wireless SHM.

Die Zustandsüberwachung (SHM) der Turm- und Fundamentstrukturen von Offshore-Windenergieanlagen hat sich als anerkannte Regel der Technik in der Praxis etabliert. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Erfassung, Bewertung und Analyse der einwirkenden Ermüdungsbeanspruchungen, um die Anlagen für einen ermüdungsarmen Betrieb zu optimieren und Potenzial für Lebensdauerverlängerungen vorzuhalten. Ermüdungsbeanspruchungen können entweder direkt mittels Dehnungsmessstreifen gemessen oder indirekt aus der Messung von Turmverformungen in Verbindung mit einem mechanischen Modell (z. B. Finite-Elemente-Modell) rekonstruiert werden. Die indirekte Rekonstruktion kann auch mit den Begriffen “virtuelle Sensoren” bzw. “Digital Twin” beschrieben werden. In diesem Beitrag wird vorgestellt, wie Ermüdungseinwirkungen an relevanten Bereichen von Offshore-Gründungsstrukturen, wie z. B. der Turm-Transition-Piece-Verbindung, aus Beschleunigungs- und Neigungsmessungen rekonstruiert werden können. Der Ansatz verwendet die am Turm erfassten strukturellen Antworten sowie ein FE-Modell, um interne Kräfte bzw. Momente in der Struktur zu bestimmen. Es wird anhand realer Beispiele von deutschen Offshore-Projekten gezeigt, wie die Genauigkeit in Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Messinformationen und berücksichtigten Lastannahmen beeinflusst wird. Die Auswirkungen von Unsicherheiten aus Messung und Modellannahmen (z. B. Kalibrierfehler, Baugrundsteifigkeiten) werden ebenfalls dargestellt.

Vibration-based load reconstruction at support structures of offshore wind turbines
Structural Health Monitoring (SHM) of the tower and foundation structures of offshore wind turbines is an established and acknowledged technical rule in engineering practice. The acquisition, assessment and analysis of the acting fatigue loads is an essential aspect in this field of SHM, since it enables the optimization of turbine operation towards lower fatigue lifetime consumption and provides potential for the extension of service life. Fatigue loads can either be measured directly using strain gauges or indirectly reconstructed from the measurement of tower deformations in conjunction with a mechanical model, e. g., a finite element (FE) model. The indirect reconstruction can also be described by the notions of “virtual sensors” or “digital twin”. The current report presents how fatigue loads on relevant areas of offshore foundation structures, such as the tower-transition piece interface, can be reconstructed from acceleration and inclination measurements. The approach uses the structural responses recorded at the tower and an FE model to determine internal forces or moments in the structure. Using real examples from German offshore wind farms, the effect of the available measurement information and considered load assumptions on the estimation accuracy is shown. The effects of uncertainties from acquisition and model assumptions (e. g. calibration errors and soil stiffness) are also presented.

Bisher gibt es keine einheitliche Definition des Begriffs Digitaler Zwilling. Allgemein wird unter einem Digitalen Zwilling die virtuelle Abbildung eines physikalischen Objekts verstanden, die dessen Eigenschaften und Verhalten zu jeder Zeit widerspiegelt. Ein Kernaspekt ist die Datenvernetzung von Asset und Digitalem Zwilling für dessen kontinuierliche Aktualisierung. Durch eine konsequente Nutzung von Digitalen Zwillingen über die gesamte Wertschöpfungskette kann das Asset-Portfolio technisch und wirtschaftlich optimiert werden. Dieser Bericht gibt einen Einblick in das Thema Digitale Zwillinge von Windkraftanlagen aus der Perspektive eines Anlagenbetreibers. Zunächst wird der Begriff Digitaler Zwilling im Kontext des Lebenszyklusmanagements von Windenergieanlagen definiert. Daran anschließend erfolgt eine Analyse der an einer modernen Windenergieanlage auflaufenden Datenmenge und -zusammensetzung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf den Herausforderungen und Chancen zur Nutzung dieser Datenquellen für Digitale Zwillinge. Als Beispiel wird der Aufbau eines datenbasierten Digitalen Zwillings zur Last- und Lebensdauerüberwachung einer Onshore-Windkraftanlage vorgestellt. Der Digitale Zwilling bildet dabei ein zentrales Werkzeug zur Abschätzung der Restlebensdauer des Anlagenturms.

Digital twins of wind turbines: perspectives from an operator
No uniform definition of the term digital twin exists so far. In general, the term digital twin is understood as the virtual representation of a physical object that reflects its properties and behavior at all times. A core aspect is the data network between the asset and digital twin for its continuous updating. Consistent use of digital twins across the entire value chain can optimize the asset portfolio technically and economically. This report provides an insight into the topic of digital twins of wind turbines from the perspective of a wind farm operator. First, the term digital twin is defined in the context of lifecycle management. This definition is followed by analysing the amount and structure of data accumulated from modern wind turbines. Emphasis is placed on challenges and opportunities for using these data sources for digital twins. As an example, a data-based digital twin of an onshore wind turbine with the purpose of load and lifetime monitoring is presented. The digital twin is a central tool for estimating the remaining useful lifetime of the wind turbine tower.

Nachrichten:
Wo Kunst auf Wissenschaft trifft: Der Novartis Pavillon wurde in Basel eröffnet

Veranstaltungen:
Erstes SFB 1463-Netzwerktreffen: Digitaler Zwilling in Industrie und Forschung
Wohin bewegt sich der Straßenbau?

Erratum

Zuschriften:
Zuschrift zum Beitrag “Einbau von Fenstern - Planung des Bauanschlusses”
Weiterführende Erläuterungen zum Beitrag “Einbau von Fenstern - Planung des Bauanschlusses”

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Zum Titelbild:
Die Wehranlage Geesthacht befindet sich etwa 140 km oberhalb der Elbmündung und wurde in den Jahren 1957-1960 als Bestandteil der Staustufe Geesthacht errichtet. Die Wehranlage staut den Mittellauf der Elbe auf das für die Schifffahrt erforderliche Niveau und bildet die Grenze der Tideelbe. Aufgrund der festgestellten erheblichen Defizite wurde entschieden, die erforderliche Erneuerung der Uferwände und den Neubau des Hauptzulaufs im Vorwege der Grundinstandsetzung der Wehrfelder durchzuführen. Weitere Informationen lesen Sie im Bericht von Ulrich Jäppelt et al., S. 367 ff. (Quelle: T. Jann)

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Beim Planen, Bauen und Betreiben von Verkehrswasserbauwerken sind Bestandspläne von großer Bedeutung. Gerade für Instandsetzungen oder Ersatzneubauten, die im Wasserbau einen Großteil der Baumaßnahmen darstellen, beinhalten sie zentrale Informationen u. a. zur Konstruktion der bestehenden Bauwerke. Die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) hat Anfang des Jahrtausends daher alle Pläne mit hohem Aufwand digitalisiert. In dem Digitalisierungsprozess wurden aus technischen Gründen etwa 35.000 Dokumente in Teilaufnahmen (TA) zerstückelt, was deren Übergabe und Nutzung erheblich stört. Diese, im Rahmen eines FuE-Projekts der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) entstandene, Arbeit zeigt, dass mit Image Stitching, einer Methode aus dem Bereich des computerbasierten Sehens (Computer Vision), die Pläne zum Großteil automatisiert zusammengeführt werden können. Mit einem merkmalsbasierten Ansatz werden dafür die Zusammenhänge zwischen den einzelnen TA modelliert und diese in einer gemeinsamen Bildebene aneinander ausgerichtet. Beim Zusammenfügen zu einem Gesamtplan wird mit einer nahtbasierten Methode sichergestellt, dass die Elemente im Plan möglichst am Stück erhalten bleiben. Es wird gezeigt, wie mit innovativen Methoden die Gesamtqualität des Baubestandswerks der WSV automatisiert verbessert werden kann und diskutiert, wie weitere Techniken aus dem Bereich der Computer Vision eingesetzt werden können, um die Ergebnisse noch weiter zu verbessern.

Automatic stitching of fragmented construction plans of hydraulic structures
Inventory plans are of great importance during planning, construction and operation of hydraulic structures. Particularly for repairs or replacements, which represent a large part of the construction measures in hydraulic engineering, they contain central information on the construction of the existing structures. At the beginning of the millennium, the German Federal Waterways and Shipping Administration (WSV) therefore digitized all plans at great expense. In the digitization process, about 35,000 documents were fragmented into partial images for technical reasons, which significantly disturb their transfer and use. This work, which is a result of a R&D-project of the Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW), shows that with image stitching, a method from the field of computer vision, the plans can be stitched automatically for the most part. Using a feature-based approach, the relationships between the individual fragments are modeled and aligned in a common image plane. When merging to an overall plan, a seam-based method ensures that the elements in the plan are preserved. It is shown how innovative methods can be used to improve the overall quality of the WSV's inventory documents in an automated manner, and it is discussed how further techniques from the field of computer vision can be used to improve the results even further.

Im Zusammenhang mit der Planung von Instandhaltungsmaßnahmen an Bauwerken der Bundeswasserstraßen stellt das BAWMerkblatt “Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Verschlüsse im Stahlwasserbau (TbVS)” ein Verfahren zur Verfügung, das anhand einer Robustheitsbewertung Informationen über die Tragsicherheit und das Tragverhalten von beschädigten Stahlwasserbauten liefert. Kennzahl der Robustheitsbewertung ist die Traglast des Tragwerks. Der Beitrag stellt den Analyseablauf vor, mit dem im Rahmen der Robustheitsbewertung die Traglast für die gängigen Tragsysteme von stählernen Wehrverschlüssen mittels numerischer Verfahren berechnet wird. Nach einer Einführung zur Notwendigkeit von Robustheitsbewertungen für die bestehenden stählernen Verschlussorgane der Bundeswasserstraßen und der Erläuterung des zugrunde liegenden Sicherheitskonzepts folgt die Beschreibung des Analyseablaufs für die numerische Ermittlung der Traglast und ihrer Plausibilisierung. Zur Quantifizierung der Robustheitsbewertung wird der Schädigungsgrad D eingeführt. Drei Beispiele an jeweils unterschiedlichen Tragsystemen verdeutlichen anschließend das schrittweise Vorgehen bei der Traglastanalyse und der Berechnung des Schädigungsgrads. Die abschließende Zusammenfassung zeigt die Bedeutung des Verfahrens für die bauwerksübergreifende Instandhaltungsplanung auf.

Ultimate load analyses in the framework of a robustness assessment of existing hydraulic steel structures
In context with the planning of maintenance measures on structures of the Federal Waterways, the publication BAWMerkblatt “Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Verschlüsse im Stahlwasserbau (TbVS)” offers a procedure that uses a robustness assessment to provide information on the structural safety and the load-bearing behaviour of damaged hydraulic steel structures. The key figure of the robustness assessment is the ultimate load of the structure. The article presents the numerical analysis procedure within the framework of the robustness assessment that is used to calculate the ultimate load for the common structural systems of steel weir gates. After an introduction about the necessity of robustness assessments for the existing closing devices used in the German federal waterways and the explanation of the underlying safety concept, the analysis procedure for the numerical determination of the ultimate load is described. The degree of damage D is introduced to quantify the outcome of the robustness assessment. Three examples of different structural systems then illustrate the step-by-step procedure for the determination of the ultimate load and the calculation of the degree of damage. The final summary shows the importance of the procedure for maintenance planning across multiple structures.

Wasserbauwerke erfahren hohe Beanspruchungen im Wesentlichen infolge Horizontallasten aus Erd- sowie Wasserdruck. Folglich kommt dem Nachweis gegenüber “Gleiten in der Arbeitsfuge” gemäß DIN EN 1992-1-1:2011-01 bei der Bewertung der Standsicherheit v. a. unbewehrter Beton- und Mauerwerkskonstruktionen eine besondere Rolle zu. In den gültigen Berechnungsformeln hierzu bleiben jedoch, insbesondere bei der Annahme der Reibungskoeffizienten, die speziellen Verhältnisse im Verkehrswasserbau unberücksichtigt. Daher befasst sich die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) seit einigen Jahren mit der Sicherstellung versuchstechnischer Grundlagen sowie der Festlegung erforderlicher Randbedingungen zur Bestimmung belastbarer, wasserbauspezifischer Reibungsbeiwerte zum Führen statischer Sicherheitsnachweise. Gleichzeitig fokussieren gezielte Forschungstätigkeiten auf die Herleitung geeigneter Modellmäßigkeiten zur Beschreibung des realitätsnahen Scherwiderstands unbewehrter Wasserbauwerke. Der Beitrag resümiert den aktuellen Erkenntnisstand zum Schertragverhalten in Betonier- bzw. Arbeitsfugen unbewehrter Beton- sowie in Mauerwerksbauten der Bundeswasserstraßen und gibt einen Ausblick auf anvisierte Untersuchungsaspekte. Sowohl Vorgehensweise als auch erarbeitete Auswertungsmethodik der Rahmenscherversuche lassen sich auf verkehrsträger- sowie fachbereichsübergreifende Anwendungen für Neu- und Bestandsbauten sowie für Instandsetzung von Bauwerken übertragen.

Shear-friction behavior in construction joints: status quo of BAW research and first applications to concrete buildings
Hydraulic structures are subjected to high stresses mainly from horizontal loads from earth and water pressure. Consequently, the verification against “sliding in the construction joint” according to DIN EN 1992-1-1:2011-01 plays a special role in the assessment of the stability of plain concrete and masonry structures. However, currently valid constitutive laws disregard the special conditions in hydraulic engineering, specifically for assuming the coefficients of friction. For this reason, the Federal Waterways Engineering and Research Institute (Bundesanstalt für Wasserbau, BAW) has been working for the past few years on the development of experimental methods and on the definition of the necessary boundary conditions to determine reliable, dependable specific friction coefficients for hydraulic engineering constructions with the aim of performance stability structure analyses. At the same time, targeted research activities are focused on the derivation of suitable constitutive laws for the description of the realistic shear-friction resistance of plain concrete hydraulic structures. The article summarizes the current state of knowledge on the shear-friction behavior in cold and construction joints of plain concrete and masonry structures of federal waterways and gives an outlook on planned research aspects. Both the approach and the developed evaluation methodology of the shear tests can be transferred to applications for new and existing structures as well as for the repair of structures across all transport modes and disciplines.

An der historischen Kanalbrücke Minden wurden im Rahmen planmäßiger Zustandsuntersuchungen stellenweise Korrosionserscheinungen an den über 100 Jahre alten, schwer zugänglichen Gelenken der tragenden Bogenkonstruktionen festgestellt. Um einordnen zu können, welchen Einfluss eine eventuelle Schädigung der Gelenke auf das Trag- und Verformungsverhalten des Bauwerks hat, werden parallel zu einer Zustandserfassung sowohl numerische als auch messtechnische Untersuchungen der Kanalbrücke durchgeführt. In einem numerischen Modell wird das planmäßige Trag- und Verformungsverhalten analysiert und qualitativ erfasst. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit im Rahmen der Bauwerksinspektion erhobenen Messdaten sowie mit 3D-Laserscanmessungen verglichen und validiert. Die durchgeführten und geplanten Untersuchungen werden im Beitrag erläutert und der aktuelle Sachstand sowie bisherige Erkenntnisse vorgestellt.

Structural investigations on the historic Minden canal bridge
This article summarizes the structural investigations necessitated by a routine condition inspection of the historic canal bridge in Minden. The load-bearing arches of the bridge are over 100 years old and difficult to access, and some of their joints show signs of corrosion. The influence of possible joint damage on the load-bearing and deformation behavior of the bridge will be determined via numerical and metrological investigations and a condition survey. The numerical models will be calibrated using data from the inspection and from additional three-dimensional laser scan measurements. The investigations carried out and planned are explained in the report and the current state of affairs and previous findings are presented.

Die Wehranlage Geesthacht befindet sich etwa 140 km oberhalb der Elbmündung und wurde in den Jahren 1957-1960 als Bestandteil der Staustufe Geesthacht errichtet. Die Wehranlage staut den Mittellauf der Elbe auf das für die Schifffahrt erforderliche Niveau und bildet die Grenze der Tideelbe. Auf Grundlage umfangreicher Zustandsuntersuchungen am Bauwerksbestand erfolgte eine Voruntersuchung für die Grundinstandsetzung und darauf aufbauend wurde der Entwurf für ein ausgewähltes Wehrfeld ausgearbeitet. Derzeit werden weitergehende hydraulische Untersuchungen durchgeführt. Im nächsten Schritt soll die Grundinstandsetzung für alle Wehrfelder ausgearbeitet werden. Parallel zu den genannten Untersuchungen der Wehrfelder erfolgte die Grundinstandsetzungsplanung für die Ufersicherungsbauten am Südufer der Wehranlage. In diesem Bereich befindet sich auch der Hauptzulauf, über den die Sektoren aller vier Wehrfelder gesteuert werden. Aufgrund der festgestellten erheblichen Defizite wurde entschieden, die erforderliche Erneuerung der Uferwände und den Neubau des Hauptzulaufs im Vorwege der Grundinstandsetzung der Wehrfelder durchzuführen. Die Ersatzneubauten waren so zu konzipieren, dass bisherige Anlagendefizite beim Hauptzulauf behoben werden und dass für den angrenzenden Fischaufstieg spätere Anpassungen zur Verbesserung der ökologischen Durchgängigkeit möglich sind.

Major overhaul of the Geesthacht weir on the river Elbe
The Geesthacht weir is located about 140 km upstream from the mouth of river Elbe and was built between 1957 and 1960 as part of the Geesthacht barrage. The facility consists of four adjustible weir sections and a fixed spillover. The weir system dams the upstream River Elbe to the navigable level and builds concurrently the boundary of the tidal influence downstream. A preliminary investigation for the major overhaul was carried out based on an extensive inspection of the existing structural condition. Based on this, a design for a single weir section was developed. Currently further hydraulic studies are being carried out. The next step is to determine the major overhaul measures for the complete facility. In parallel with the above-mentioned evaluations, the design for restoration of the waterfront structures on the south bank of the weir was carried out. The main inlet for the lock control is also located in this area. Due to substainal structural issues, a renewal of the riverbank retaining walls and the main inlet has to be carried out in advance of the major overhaul measures of the weir itself. The necessary tasks have to be carried out in a way that previous deficits in the main inlet are eliminated and adjustments of the adjacent fishpass are possible.

Der Neubau der 5. Schleusenkammer in Brunsbüttel ist die derzeitig größte Wasserbaustelle Europas und erforderlich, um nachfolgend die bestehenden großen Schleusenkammern instand setzen zu können. Eine Nutzen-Kosten-Analyse ergab den höchsten Nutzwert für den Neubau zwischen den bestehenden großen und kleinen Schleusen, d. h. auf der Schleuseninsel. Durch die Insellage der Baustelle ergeben sich besondere Anforderungen an den Baubetrieb. Generell muss eine Vielzahl von Gewerken koordiniert werden, die u. a. für die Herstellung der tiefen Baugruben, der beton- und stahlbautechnischen Konstruktion der Häupter, der Kammer für seegängige Schiffe und der Vorhäfen erforderlich sind. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass die Baustelle an der Elbmündung liegt und somit auf Sturmfluten vorbereitet sein muss. Auf diese besonderen Randbedingungen der Baumaßnahme und auf ausgewählte Bauverfahren wird beispielhaft eingegangen. Ein besonderes Augenmerk des Beitrags liegt zudem auf den umfangreichen betontechnologischen Betrachtungen zur Erzielung dauerhafter Massivbaustrukturen. Bei der Entwicklung der Betonrezepturen waren neben der Minimierung von Rissbreiten in massigen Bauteilen Einwirkungen wie Frost- und Chloridangriff zu berücksichtigen. Die zeitweise eingeschränkte Verfügbarkeit von Flugasche gestaltete diese Aufgabe noch komplexer. Zur weiteren Verbesserung der Dauerhaftigkeit wurden in besonders exponierten Bauwerksbereichen wasserabführende Schalungsbahnen eingesetzt.

A look at the challenges of building the 5th lock chamber in Brunsbüttel
The new construction of the 5th lock chamber in Brunsbüttel is currently the largest hydraulic construction site in Europe and is necessary in order to be able to subsequently repair the existing large lock chambers. A benefit-cost analysis showed the highest benefit value for the new construction between the existing large and small locks, i. e. on the lock island. The location of the construction site results in special requirements for construction operations. In general, a large number of crafts have to be coordinated, which are necessary e. g. for the concrete and steel construction of the heads, the chamber for seagoing vessels and the outer harbours. Furthermore, it has to be taken into account, that the construction site is located at the estuary of the Elbe and thus has to be prepared for storm surges. These special boundary conditions of the construction project and selected construction methods are discussed by way of example. A special focus of the article is also on the extensive concrete technology considerations for achieving durable concrete structures. In addition to minimising crack widths in massive concrete elements, other aspects such as resistance against frost and chloride attack had to be considered for developing the concrete composition. The temporarily limited availability of fly ash made this task even more complex. In order to further improve durability, controlled permeability formwork liners were used in parts of the structure with sever exposure.

In den vergangenen Jahren ist ein erhebliches Größenwachstum im Bereich der Großcontainerschiffe (ULCVs) zu beobachten. Durch das Liegen dieser Schiffe mit Windangriffsflächen von bis zu 18.000 m2 an den bestehenden Kaianlagen kann es bei Starkwindsituationen zu Überlastungen der Poller- und Fendersysteme als auch der schiffsseitigen Vertäueinrichtungen kommen. Mit dem Wissen, dass statische Vertäuberechnungen zukünftig zur Beurteilung der Anforderungen an Kaimauern sowie der Vertäueinrichtungen der ULCVs nicht mehr ausreichen, hat die HPA (Hamburg Port Authority) mit externen Partnern die Entwicklung eines cloudbasierten IT-System für dynamische Vertäuanalysen vorangetrieben. Neben der Softwareentwicklung wurde von der HPA das Pollerzugversuchsprogramm entwickelt. Ziel war es, durch unterschiedliche Probebelastungen Grundlagenforschung an existierenden Pollern zu betreiben. Beteiligungen an Ausschüssen der EAU und Arbeitsgruppen der PIANC gehören ebenso dazu wie das internationale JIP-Projekt WINDLASS, in dem die HPA gemeinsam mit Rotterdam und Antwerpen involviert ist. In dem JIP sollen Grundlagen zu lokalen Windfeldern im Hafen ermittelt werden und bei der Beurteilung von Starkwindsituationen unterstützen. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung und den Einsatz des Vertäuprogramms sowohl im Bereich der Großcontainerschiffe als auch zukünftig bei Kreuzfahrtschiffen, RoRo-Schiffen, Bulkern, aber auch Hafenplanungen kann das Sicherheitsniveau im Hamburger Hafen weiter erhöht werden.

The mooring program for the port of Hamburg
Recent years have witnessed a considerable growth in size of ultra large container vessels (ULCVs). Due to the berthing of these vessels with wind-exposed areas of up to 18,000 m2 at the existing quay facilities, strong wind situations can lead to an overload of the bollard and fender systems as well as to the ship-side mooring equipment. Knowing that the static mooring calculations will no longer be sufficient to assess the requirements of quay walls and the mooring systems of ULCVs, HPA (Hamburg Port Authority) and some external partners have promoted the development of a cloud-based IT-system for dynamic mooring analyses. In addition to the software development, HPA has developed a bollard pull test programme. The aim was to conduct basic research on existing bollards through different load tests. This work covered participations in EAU committees and PIANC working groups as well as the international JIP WINDLASS project, where HPA as well as the ports of Rotterdam and Antwerp were involved. The JIP-project aims to determine the basics of the local wind fields in the port and to support the assessment of strong wind situations. Through the continuous development and use of the mooring programme, the level of safety in the Port of Hamburg can be further increased, both in the area of large container ships and in the future for cruise ships, but also ro-ro vessels, bulkers and port planning.

Mit Einführung der neuen Verwaltungsvorschrift VV-WSV 2101 Bauwerksinspektion wird das Inspektionsregime der Bundeswasserstraßen feiner abgestimmt. Neuerdings in Inspektionskategorie B eingruppierte Bauwerke weisen zwar grundsätzlich ein besonderes Gefährdungspotenzial im Hinblick auf die zu gewährleistende Verkehrssicherheit auf, sind aber bautechnisch nicht so komplex, als dass es bei ihnen - im Unterschied zur Inspektionskategorie A - einer Bauwerksprüfung durch sachkundige Ingenieure bedarf. Hier wird zukünftig eine Bauwerksüberwachung erforderlich. Das zugehörige, neu erarbeitete BAWMerkblatt Schadensbewertung an Verkehrswasserbauwerken der Inspektionskategorie B (MSV-B) gruppiert die betrachteten Bauwerke und gibt Vorgaben für die systematische Erfassung und Bewertung von Schäden an diesen. Mithilfe einer weitgehenden Standardisierung bedient das Merkblatt sowohl die Anforderungen an eine effiziente Datenerhebung vor Ort als auch an die Dokumentation der Ergebnisse im Programmsystem des Infrastrukturmanagements, WSVPruf. Nach eng konzertierter Entwicklung und Ausarbeitung in 2021, innerhalb der Verwaltung verteilt angelegter Qualitätssicherung und breit gestreuter Schulung mittels digitaler E-Learning-Formate wurde das Merkblatt im März 2022 eingeführt.

New BAW bulletin on structure monitoring - sustainable infrastructure management on federal waterways
The introduction of the new administrative regulation VV-WSV 2101 Inspection of Structures adjusts inspection regime of federal waterways be more finely. Structures that have recently been classified in Inspection Category B do in principle have a special hazard potential with regard to the traffic safety to be ensured, but they are not so complex from a structural engineering point of view that they require - in contrast to Inspection Category A - a structural inspection by expert engineers. In this case, structural monitoring will be required in the future. The associated, newly developed BAW bulletin Damage Assessment on Waterway Structures of Inspection Category B (MSV-B) groups the structures under consideration and provides guidelines for the systematic recording and assessment of damage to them. With the help of extensive standardization, the bulletin meets the requirements for efficient data collection on site as well as for the documentation of the results in the WSVPruf software for maintenance management. After closely concerted development and elaboration in 2021, quality assurance distributed within the administration, and widely distributed training by means of digital e-learning formats, the bulletin was introduced in March 2022.

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Ernst & Sohn Ingenieurbaupreis 2022: Übergabe der Siegerplakette & Veröffentlichung der Dokumentation
Zum 225. Geburtstag von Gotthilf Hagen
Call for experts zur Überarbeitung der Norm DIN 19700, “Stauanlagen”, Teile 10 und 11

Rezensionen:
non nobis - über das Bauen in der Zukunft

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