Bei allen Arten von Bildungsbauten verzeichnet man eine hohe Bautätigkeit: auch bei Schulen. Es gibt zahlreiche Wettbewerbe und Vergabeverfahren in diesem Sektor. Abhängig von verschiedenen Faktoren wie beispielsweise Budget, Städtebau und pädagogisches Konzept entstehen ganz unterschiedliche Neubauten und Erweiterungsbauten. Der Fokus liegt hier auf guten Lösungen für flexibel nutzbare Räume mit guter Belichtung, auf Energieeffizienz, Brandschutz, Akustik und auch auf Sicherheitstechnik. Auch im Bestand ist man bestrebt, die hohen technischen Standards bestmöglich umzusetzen. Das ist oft nicht einfach ist - beispielsweise auch aus denkmalfachlichen Gründen. Es wird umgebaut und saniert, um den Schülern und Lehrern eine gute Arbeitsatmosphäre zu schaffen, die das Lernen positiv unterstützt. Auch temporäre Bauten und Modulbauten bieten gerade in Hinblick auf Platzmangel bzw. erhöhten Raumbedarf an den Schulen außergewöhnlich gute Lösungen. Anhand innovativer Projekte werden für verschiedene Themenbereiche interessante Lösungen vorgestellt, die den Arbeitsalltag der Leser bereichern werden.

Forschungs- und Laborgebäude sind äußerst anspruchsvolle Bauprojekte. Alle am Bau Beteiligten müssen sehr gut zusammenarbeiten, um die hohen technischen und architektonischen Anforderungen von Bauherren und Nutzern zu erfüllen. Ideale Arbeitsbedingungen in Forschungs- und Laborgebäuden tragen dazu bei, Deutschland als internationalen Wissenschaftsstandort nachhaltig zu stärken. Die Gebäude sind oft eingebettet in eine städtebauliche Campussituation, die man sowohl innerstädtisch als auch am Stadtrand vorfindet. Für die Forscher komplexe technische Standards in den Laboren anzubieten ist ebenso wichtig, wie Büro- und Arbeitsbereiche zu planen, in denen Einzel- und Teamarbeit möglich ist. Besondere Bedeutung wird informellen Kommunikationsbereichen zugeschrieben, an denen der Austausch zwischen Wissenschaftlern - auch über die Fachgrenzen hinweg - möglich wird. Lesen Sie in diesem vierten Special über wegweisende Projekte und lassen Sie sich inspierieren von smarten technischen Lösungen.

Mit Zunahme der Unwettergefahren haben Ausfälle der funktionalen Sicherheit von Flachdächern katastrophale Folgen, denn sie werden durch Starkregen und langanhaltenden Schneefall häufiger einer Überlast ausgesetzt. Oft wird die Mindestanforderung für die funktionale Sicherheit als ausreichend angenommen, obwohl die Gebäude immer komplexer werden. Dass dem nicht immer so ist, zeigt die Schadensstatistik.

Um Schäden zu vermeiden und Unfällen vorzubeugen, sind bei der Planung eines Flachdaches zahlreiche Regeln, Normen und Richtlinien sowie örtliche Kriterien zu beachten. Mit den zuständigen Behörden sind in der Regel vorab Nutzung und Auflagen der LBO zu klären, z.B. eventuelle Begrünung, Brandschutz, Wasserableitung, Sicherung für die Wartung und Fluchtwege. Je nach Objekt kommen bei Neubau, Sanierung oder Umbau unterschiedliche konstruktive Ausführungen zur Anwendung. Neben bauphysikalischen und statischen Einflüssen müssen bei Neubau, Sanierung oder Umbau von Flachdächern auch die Anforderungen der jeweils geltenden EnEV und die Integration von Komponenten zur Erzeugung solarer Energie berücksichtigt werden.

Die Zunahme an Häufigkeit, Intensität und Schadensausmaß von extremen Naturereignissen stellt weltweit wachsende Bedrohungen für die öffentliche Sicherheit und für bauliche Infrastrukturen dar. Der folgende Beitrag erläutert das Risikomanagement für Bauwerke bei Hochwassergefahr.
Im Rahmen nationaler und internationaler Forschungsprojekte entwickeln die Autoren praxisnahe Ingenieur-Tools für die schnelle Ermittlung von Schwachstellen baulicher Infrastrukturen, wie öffentliche Gebäude und Transportinfrastrukturen, um daraus frühzeitig Risikobewertungen für Katastrophenszenarien ableiten und Entscheidungshilfen für Einsatzkräfte im Katastrophenfall bereitstellen zu können. Die Ingenieur-Tools beinhalten unter anderem ein Entscheidungshilfesystem mit Maßnahmenempfehlungen zur Bauwerksertüchtigung gegen Hochwassereinwirkungen. Es werden neben Schnellanalysen auch detaillierte numerische Berechnungen zur Bewertung von Bauwerken durchgeführt. Die Forschungsvorhaben sind interdisziplinäre Verbundvorhaben, bei denen die Autoren die Teilaufgaben zur Bewertung der baulichen Infrastruktur bearbeiten.
Für Einwirkungen im Hochwasserfall sowie für die Katastrophenvorsorge liegen keine normativen Regelungen vor. Lediglich einzelne Richtlinien und Leitfäden sind für den Hochwasserschutz von Objekten vorhanden. Aus diesem Grund werden z. B. Ansätze zur Ermittlung der statischen und dynamischen Hochwasserlasten entwickelt, um Einwirkungsgrundlagen zu schaffen und Bauwerke auf ihre Robustheit zu prüfen. Hierbei steht die Ermittlung der Standsicherheit bzw. der Resttragfähigkeit von Tragwerken während und nach einem Hochwasserereignis im Vordergrund. Damit soll deren Resilienz analysiert werden.
In diesem Beitrag wird die Umsetzung der klassischen Handlungsstrategie des Katastrophenmanagements (Prävention, Katastrophenfall, Nachsorge) in ein Software-Tool erläutert und innovative Lösungsansätze mit Geoinformationssystemen (GIS) und 3D-Stadt- und Gebäudemodellen aufgezeigt.

Risk assessment and protection of the built infrastructure for flood events
The increase in number, intensity and damage of extreme natural events is a growing threat to public security and for the built infrastructure. The following article explains the risk management with respect to flood.
In the context of national and international research projects, the authors develop practical engineering-tools for a fast determination of the vulnerability of the built infrastructure, like public buildings and transport infrastructures, in order to derive risk assessments in disaster events and to provide decision support for rescue forces. The engineering-tools include, among other things, a decision-support-system with recommendations for strengthening and repairing of structures in the case of major flooding. Structures are evaluated with rapid analysis, but also with detailed numerical calculation. The research projects are interdisciplinary joint-research-projects and the authors are working at different aspects for the assessment of the built infrastructure.
For the effects on built infrastructure during flood and for prevention of disaster events, there is no standardization at hand. There are just a few guidelines for the protection of structures for a flood event. For this reason load models for static and dynamic loads during a flood are developed, in order to create a basis for the assessment of robustness of structures. The determination of the remaining carrying capacity during and after a flood event is in the primary focus. This is the basis for the analysis of the resilience of the built infrastructure.
In this article the implementation of the classical action strategy in disaster management (pre-, during-, post-incident) in a software-tool is presented and with that, innovative methods with geo-information-systems (GIS) and 3D-city- and building models (BIM) are shown.

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Die Ermittlung von Hochwasser-Schadenspotenzialen bei Nutzen-Kosten-Analysen erfolgt in den einzelnen Bundesländern meist mit herkömmlichen nutzungsorientierten Schadensmodellen. Dabei geben Schadensfunktionen einen Erwartungswert (Mittelwert) für den zu erwartenden Schaden in Abhängigkeit von der Nutzung und den hochwasserspezifischen Einwirkungsparametern an. Die große Streubreite der real auftretenden Schäden wird dabei vernachlässigt.
Im Beitrag werden die Auswirkungen der in diesen Modellen nicht berücksichtigten verletzbarkeitsbestimmenden Bauwerksparameter und verschiedener möglicher (flächennutzungskonformer) Bauwerksbestände durch Monte-Carlo-Simulationen untersucht.
Für diese Simulationen werden mit dem verletzbarkeitsorientierten, mikroskaligen EDAC-Hochwasserschadensmodell für reale Überflutungsszenarien die Streubreiten der potenziellen Verluste ermittelt.
Die Ergebnisse veranschaulichen, dass diese Streubreiten in den Verlusten im Rahmen von Nutzen-Kosten-Analysen mit berücksichtigt werden sollten.

Uncertainties in the quantification of flood damage potential
The determination of flood damage potential in cost-benefit analyses is carried out in the individual federal states mostly with conventional use-oriented damage models. This type of damage functions provides expected values (average values) for the losses depending on the use and flood-specific impact parameters. The large scatter of reported losses is neglected.
The paper considers the impact of vulnerability determining building parameter and different possible (use compliant) building stocks on these models.
On the basis of Monte Carlo simulations, the scatter of the potential losses is calculated applying the vulnerability based, microscale EDAC-flood damage model for real flooding scenarios.
The results illustrate that these uncertainties of the prognosis should be considered in the loss assessment and in particular for the scope of cost-benefit decisions.

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Die zeitnahe Bereitstellung internetbasierter Schütterkarten nach einem Erdbeben gewinnt für behördliche Entscheidungsträger, Betreiber sicherheitstechnisch relevanter Anlagen, Versorger im Rahmen der Lebenslinien (Energie, Wasser, Nahrung, Verkehr, Kommunikation) und Planer an Bedeutung, nicht zuletzt, um auch die Öffentlichkeit mit einem hohen Maß an Informationsqualität und Transparenz als Akteure interaktiv einzubinden. In Verbindung mit den rapide wachsenden Möglichkeiten der Geo- und Informationstechnologien sind Entwicklungen einzuordnen, Schüttergebietskarten automatisch zu generieren und zugleich mit Prognosen über die Betroffenheit von Bauwerken, Infrastruktur bzw. die sozioökonomischen Verluste zu verbinden.
Die unter der Bezeichnung SHAKEMaps etablierten Technologien zielen auf webbasierte Intensitätszuweisungen ab, die direkt an die seismischen Messnetze anbinden und die registrierte Bodenbewegungen mit den gemeldeten Beobachtungen modellseitig in Prognosen zu den Erdbebenwirkungen und Konsequenzen zusammenführen. Da für deutsche Erdbebengebiete die dazu erforderliche flächendeckende seismische Instrumentierung nicht zur Verfügung steht und schadensrelevante Registrierungen fehlen, kann weiterhin auf Erfahrungswerte historischer Erdbeben und somit auf die Intensität als primäre Kenngröße zurückgegriffen werden.
Der Beitrag gibt eine Übersicht zu Vorgehensweisen, um makroseismische Schüttergebietskarten in-time vorzulegen. Am Beispiel deutscher Erdbebengebiete wird gezeigt, wie auf Grundlage der makroseismischen Beobachtungen und ihrer systematischen Auswertung Schütterkarten generiert werden können, die zudem lokale bzw. regionale Besonderheiten des Untergrunds berücksichtigen. Eine Auswertung der verfügbaren Angaben zum Gebäudebestand und zu den Bauwerkskategorien bildet die Grundlage, um die “Betroffenheit” im Erdbebenfall in verschiedenen Anwendungsebenen zu prognostizieren. Maßgebliche Instrumentarien sind Datenbanken und Schadensmodelle auf Basis der European Macroseismic Scale EMS-98.

SHAKEMaps - Efficient tools for the reinterpretation and prognosis of earthquake damage
The real-time availability of internet-based SHAKEMaps after an earthquake gains increasing importance for official decision-makers, operators of safety-relevant systems, and life lines (energy, water, food, transport, and communication) as well as planners. Not least to engage the public with a high level of information quality and transparency as well as to interact with internet platforms being offered to generate SHAKEMaps according to the implied procedures. Advances in the availability of geodata and the extended options of geo-information technologies enable the link between automatically generated SHAKEMaps with different levels of prognosis concerning the probable effects on buildings and infrastructure as well as a primary assessment of the socio-economic consequences.
SHAKEMaps refer to concepts of web-based intensity assignments and the use of recorded ground motions (in case of the existence of a refined seismic network) to correlate the instrumental data with the reported observations and to derive initial estimates of the consequences. As for German earthquake regions the required comprehensive seismic instrumentation is not available and damage-related registrations are missing, the experience of historical earthquakes and the macroseismic observations (in terms of intensities) could be still taken as primary input.The paper gives an overview of approaches to generate macroseismic shaking maps (SHAKEMaps) in-time. For the case study of German earthquake regions it will be shown how the SHAKEMaps can be elaborated on the basis of macroseismic observations and their systematic evaluation and how local or regional particularities of site amplification (anomalies) could be inserted. An evaluation of available information on the existing building stock, the construction types, and building categories provides the basis to describe the grade of “impact” in different fields of interest. The relevant tools are using databases and damage models which are related to the European Macroseismic Scale EMS-98 and the empirical intensity concept.

Counting only the month of May 2015 about 20 tornadoes developed in Germany. At least three of them reached tornado category F3 destroying villages, e.g. [15]. About 50 people were injured and the insurance companies recorded about 100 Mio. Euros insured loss. Press media headlined: Tornadoes in Germany - the underestimated threat? The forecasting of extreme weather conditions in Germany due to climate change is still very uncertain. The design codes in Germany do not consider tornado actions. Thus, they are still considered catastrophic events. But owners ask experts whether their home can actually be protected. In the USA tornado actions are defined in codes for critical infrastructure. Because of the frequency and intensity of tornadoes, people in the USA have experiences with such events. This article introduces the phenomena of extreme winds, defines actions generated by extreme winds, explains building vulnerabilities, and gives some guidelines on how to protect buildings. Because of lack of research in Germany concerning protection of structures against tornado actions, we benefit from the expertise in the USA. This article is aimed at sensitize for the tornado threat from an engineering point of view, showing related problems, and hopefully initiate research in the future.

Naturgefahr Tornados
Allein im Mai 2015 ereigneten sich fast 20 Tornados in Deutschland, von denen zumindest drei die Tornado-Kategorie F3 erreichten und ganze Ortschaften verwüsteten, z.B. [15]. Etwa 50 Menschen wurden verletzt, der Sachschaden ging in die 100 Mio. Euro. Die Medien titelten: Tornados in Deutschland - eine unterschätzte Gefahr? Tatsächlich sind die Vorhersagen der Experten vor dem Hintergrund der Klimaänderung derzeit noch sehr unklar. Hauseigentümer fragen Architekten und Bauingenieure, ob man sich vor Tornados schützen kann. Die die Einwirkungen regelnden Normen (DIN 1055, EC 1 (DIN EN 1991-1-1)) in Deutschland behandeln den Lastfall Tornado bisher nicht. Insofern sind die Einwirkungen aus Tornado als Katastrophenlastfall einzustufen. In den USA sind Tornado-Einwirkungen für kritische Infrastrukturen geregelt. Sie behandeln die Winddrücke und die Einwirkungen aus herum fliegenden Objekten. Als Folge von Tornados fällt häufig der Strom aus mit all den spezifischen weiteren Folgen. Der Beitrag führt in die Problematik des Naturphänomens “Tornado” ein, beschreibt anhand der amerikanischen Vorschriften die zu erwartenden Einwirkungen und behandelt Schwachstellen-Analysen sowie bauliche Lösungen für unterschiedliche Tornado-Kategorien. Eine Risiko-Betrachtung dient als Grundlage zur Erweiterung der Normen um den Lastfall “Tornado”. Gerade technische Anlagen und bauliche Anlagen der kritischen Infrastruktur bedürfen einer Risiko-Bewertung zu Sicherung der Resilienz. Da es in Deutschland bisher keine Forschungen zum baulichen Schutz vor Tornado-Einwirkungen gibt, ist es zweckmäßig, sich in Ländern Rat zu holen, in denen Tornados ständig auftreten. Dieser Beitrag soll vom Ingenieurstandpunkt aus sensibilisieren, Probleme aufzeigen und zu Forschungen anregen.

Am Abend des 5. Mai 2015 entwickelten sich in Mecklenburg-Vorpommern mehrere Tornados. Durch einen dieser Tornados, der die Intensität F3 auf der Fujita-Skala bzw. T6 auf der TORRO-Skala erreicht hat, wurde fast jedes Gebäude in der historischen Altstadt von Bützow geschädigt.
Der Beitrag stellt die komplexe Einwirkungscharakteristik von Tornados auf Bauwerke sowie die gebräuchlichen Tornadoskalen vor und gibt einen Überblick über die vorgefundenen Bauwerksschäden im betroffenen Gebiet.
Die gewonnenen Erfahrungen lassen aus Ingenieursicht einen Forschungsbedarf hinsichtlich eines Bewertungssystems für die Schäden und die Verletzbarkeit der lokalen Bebauung gegenüber einer Tornadoeinwirkung erkennen.

The tornado of Bützow in Mecklenburg-Vorpommern - engineering analysis of the building damage
Several tornadoes developed in Mecklenburg-Vorpommern during the evening time of May 05, 2015. One of these tornadoes reached the intensity F3 on the Fujita-scale or T6 on the TORRO-scale and damaged nearly all buildings in the historic center of the town Bützow.
The paper presents the complex load characteristics of tornadoes to buildings as well as the common tornado scales and gives an overview of the structural damage in the affected area.
From an engineering point of view the gained experience shows a need for further research into an evaluation system for the damage and the vulnerability of the local building stock due to a tornado action.

Auf der Grundlage empirisch abgeleiteter Schadensgrade wird das Gebäudeverhalten von bestandsrepräsentativen Stahlbetonrahmentragwerken in gering-, mittel- und hochseismischen Gebieten beurteilt und der Einfluss der untergrundspezifischen Bodenbewegung auf den prognostizierten Schadensgrad bestimmt. Die Schadensbeschreibung erfolgt elementbezogen und wird aus dem Verformungszustand (Damage State) des Querschnitts abgeleitet. In Anlehnung an die EMS-98 werden diese Schäden als lokale Schadensgrade (LDG) definiert und nach der Konsequenz für die Tragstruktur in primäre (strukturelle) und sekundäre (nichtstrukturelle) unterschieden.
Unter Vorgabe der Schadensgrade wird eine Vorgehensweise entwickelt, um Kennfunktionen mit direktem Bezug zu Entscheidungen über die Notwendigkeit einer Bauwerksertüchtigung abzuleiten. Anhand der durchgeführten Untersuchungen können normungsrelevante Beschleunigungsniveaus und zugehörige Schadensgrade bzw. Entwurfskonzepte überprüft werden. In den gering seismischen Gebieten Deutschlands ist am Maßstab der aktuellen Einwirkungsvorgaben und auch im Falle stärkerer Einwirkungen ein Versagen von Stahlbetonrahmensystemen auszuschließen und das Auftreten eines kritischen, ertüchtigungsrelevanten Schadensgrads nicht zu erwarten. Diese werden jedoch erreicht, wenn für die Standorte in deutschen Erdbebengebieten intensitätsbezogene Spitzenbodenbeschleunigungen aus aktuellen Korrelationen bzw. Ergebnisse von europäischen Forschungsprojekten (z. B. SHARE) zugrunde gelegt werden.

Code based damage prognosis for R. C. frame structures in low and high seismicity region
Clearly defined and empirically derived damage grades are applied to assess the building behavior of building stock representative R. C. frame structures under low, medium and high seismic action. Additionally the influence of the specific subsoil related ground acceleration on the damage prognosis is determined. The damage description is related to the individual structural element and will be derived from the damage state of the cross section based on the material behavior. With respect to the EMS-98 different local damage grades are defined and differentiated according to the relevance for the primary (structural) and secondary (non-structural) structural system. Thus, a method on the basis of clearly defined damage grades will be presented for the derivation of fragility functions with a direct link to decisions upon the necessity for strengthening measures. On the basis of the presented investigations code relevant results can be derived. There are no failure as well as no critical damage grade (relevant for strengthening) expected for R. C. frame structures in the low seismicity region Germany under the consideration of current code consistent seismic action. However, such damage grades might be expectable in case of intensity based peak ground accelerations according to current correlations as well as research projects (e. g. SHARE) for German earthquake regions.

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Als Hauptursachen für Korrosion der Bewehrung werden allgemein die beiden folgenden Vorgänge im Beton angesehen: Karbonatisierung des Betons bis zur Oberfläche der Bewehrung, bei der der pH-Wert des Betons deutlich abfällt, so dass sich keine stabile Passivschicht mehr ausbildet oder Überschreiten eines kritischen Chloridgehaltes an der Stahloberfläche, der zu einer örtlichen Zerstörung der Passivschicht führt. Nach der Depassivierung ist der Stahl korrosionsbereit, d.h. er rostet, abhängig vom Angebot von Sauerstoff und Wasser im Beton. Für die Korrosionsgeschwindigkeit spielen zahlreiche weitere Einflussgrößen eine erhebliche Rolle, wie z. B. bei lokaler Depassivierung das Flächenverhältnis von Kathode zu Anode, was bei Korrosion im Bereich von Rissen i.d.R. besonders ungünstig ist (s. z.B. /1,2/).
Insbesondere bei Bauwerken, bei denen im Bereich von Trennrissen häufig oder dauerhaft Wasser ansteht, kann durch Auslaugung des Betons, d.h. ohne Karbonatisierung oder Chlorideinwirkung, Korrosion der Bewehrung ausgelöst werden. Eine solche Auslaugung wird auch bei Betonbauteilen beobachtet, die langzeitig wasserberührt sind, wie z.B. im Trinkwasser- oder Abwasserbereich, siehe z.B. /5/. Dort tritt bei ausreichender Qualität der Betondeckung jedoch innerhalb der Nutzungsdauer i.d.R. keine Depassivierung auf, sondern nur z.B. bei älteren Bauwerken mit unzureichender Betondeckung. Speziell zur Auslaugung von trinkwasserberührten Betonflächen liegen verschiedene wissenschaftliche Untersuchungen vor, die einen recht komplexen Auslaugmechanismus (Hydrolyse) zeigen, da sich hier bei begrenzter Bewegung des Wassers schützende Deckschichten (Carbonatschichten) auf der Betonoberfläche ausbilden können (s. z.B. [3, 4, 6]).
Bei wasserführenden Trennrissen können die Rissflanken jedoch offenbar bereits nach vergleichsweise kurzer Zeit auslaugen. Durch die Durchströmung des Risses findet an den unmittelbaren Rissflanken eine Auslaugung von Calciumhydroxid sowie Alkalien statt, sodass der Korrosionsschutz der Bewehrung im unmittelbaren Rissbereich verloren geht. Systematische Untersuchungen zur Auslaugung im Bereich wasserführender Trennrisse ohne Chlorideinwirkung fehlen jedoch.
Im Folgenden wird die Korrosion durch Auslaugung des Betons im Bereich von Trennrissen oder Fugen anhand mehrerer Beispiele aus der Baupraxis näher gezeigt.

Reinforcement corrosion caused by carbonation of concrete in separating cracks with inflowing water
Main causes for reinforcement corrosion are carbonation of concrete or reaching the critical chloride content at the reinforcement. After depassivation of the reinforcement corrosion is induced depending on availability of oxygen and humidity.
Especially at constructions with separating cracks running through the concrete and water running through the cracks depassivation of the reinforcement may also occur without influence of carbonation or chlorides.
Leaching of the concrete can lead to a reduction of the ph-value so that the passive layer on the surface of the reinforcement is destroyed.
However, systematic investigation on this process is actually not available.
In this article examples are given for the type of reinforcement corrosion by means of leaching of the concrete.

Planung und Ausführung wasserundurchlässiger Betonkonstruktionen (WU-Konstruktionen) sind in Deutschland seit 2003 in der WU-Richtlinie des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton e. V. (DAfStb) geregelt. Zu den Grundlagen der Bemessung von WU-Konstruktionen nach WU-Richtlinie gehört die Wahl eines Entwurfsgrundsatzes. Aus wirtschaftlichen Gründen wird oft der Entwurfsgrundsatz der Selbstheilung von Rissen bevorzugt. In diesem Beitrag werden Grundlagen des Selbstheilungsprozesses genannt und ihre Auswirkungen auf die Gebrauchstauglichkeit der WU-Konstruktion aufgezeigt.

Design of watertight concrete structures using autogenous healing of cracks
The design and execution of watertight concrete structures in Germany is regulated by the DAfStb guideline on watertight concrete structures from 2003 (WU-Richtlinie). Fundamentals of the design of watertight concrete structures according to the WU-Richtlinie refer to several options to solve the problem of possible cracks in concrete. Most practitioners prefer autogenous healing of cracks because it is an efficient and economical way to solve these problems. This paper provides some basic information on the autogenous healing process and the effects on the usability of watertight structures.

Persönliches:
Bernd Möller 75 Jahre

Nachrichten: Verdienstorden der Bundesrepublik Deutschland an Prof. W. Krätzig verliehen / Teilnehmerrekord bei den 60. BetonTagen / Rezension: Geschichte der Baustatik

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Zur Nachrechnung bestehender Bauwerke, welche grundsätzlich auf Basis der aktuellen, bauaufsichtlich eingeführten technischen Baubestimmungen zu führen sind, werden charakteristische Materialkennwerte der verwendeten Baustoffe benötigt.
Diese können zumindest im Rahmen einer Vordimensionierung durch Umrechnung von aus der Herstellzeit dokumentierten mechanischen Materialkennwerten auf Größen, wie sie zur Anwendung der aktuellen, bauaufsichtlich eingeführten technischen Baubestimmungen benötigt werden, ermittelt werden [1].
Für eine abgesicherte Nachrechnung hingegen müssen charakteristische Materialkennwerte durch eine qualifizierte Bestandsaufnahme am Bauwerk ermittelt werden. Speziell zur Bestimmung charakteristischer Betondruckfestigkeiten führen die bisher anzuwendenden Verfahren nach DIN EN 1990 [2] und DIN EN 13791:2008 [3] bei kleinem Stichprobenumfang n zu ingenieurmäßig fragwürdigen Ergebnissen, welche die tatsächliche Betondruckfestigkeit z. T. erheblich über- oder unterschätzen.
Das neue in E DIN EN 13791/A20:2016 [4] enthaltene Verfahren mit den vom Stichprobenumfang n abhängigen modifizierten Ansätzen A und B ermöglicht in gewissen Anwendungsgrenzen die Bestimmung charakteristischer Betondruckfestigkeiten mit unabhängig vom Stichprobenumfang n geringer Abweichung zur tatsächlichen Betondruckfestigkeit.
Nachfolgend werden die Schwächen der bisherigen Verfahren nach DIN EN 1990 [2] und DIN EN 13791:2008 [3] basierend auf der Auswertung realer Datensätze aufgezeigt und Hintergründe zum neuen Verfahren nach E DIN EN 13791/A20:2016 [4] erläutert.

Determination of the characteristic in-situ concrete compressive strength in conjunction with a small sample size - Technical background and further explanations concerning the new approach in accordance to E DIN EN 13791/A20:2016
In case of an assessment of an existing structure, based on current standards, characteristic properties of materials used for construction are required.
Those material properties can be gained for pre-dimensioning at least from documents from the construction period by conversion.
Whereas, for an ensured recalculation, characteristic material properties have to be determined by a qualified structural investigation. The currently used methods according to DIN EN 1990 [2] and DIN EN 13791:2008 [3] lead, especially for a small sample size, to doubtful results and a high rate of over- or underestimation.
By application of the new approach according to E DIN EN 13791/A20:2016 [4] with the modified methods A and B, the characteristic concrete compressive strength can be determined with only slight deviation to the real value of the concrete compressive strength of the population within the boundaries of application.
Subsequent, weaknesses of the currently used methods according to DIN EN 1990 [2] and DIN EN 13791:2008 [3] are demonstrated. Furthermore, background information on the new approach according to E DIN EN 13791/A20:2016 [4] is given.

Vertikalrisse beeinflussen erheblich das Verhalten der turmartigen Bauwerke. Dies geschieht bei mäßigen Rissbreiten durch Regenwassereindrang und ggf. Stahlkorrosion und bei breiten Trennrissen durch gefährliche Aufspaltung des Ringquerschnitts. Aus diesem Grund kommt der sicheren und wirtschaftlichen Dimensionierung der Horizontalbewehrung für Maste und Türme aus Stahlbeton eine besondere Bedeutung zu, insbesondere hinsichtlich der Wettbewerbssituation mit der optionalen Stahlbauweise. Diesen Bedarf befriedigt nicht die derzeitige Normung, in der keine Angaben zu Temperatur- bzw. Feuchteeinwirkungen und keine Berechnungsverfahren für die daraus resultierende Zwangbeanspruchung zu finden sind. Der vorliegende Beitrag bietet wirklichkeitsnahe Ansätze zur Erfassung der Einwirkungen und zur Ermittlung der Rissanzahl und Rissbreite an. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Unterschiede im Verhalten kleiner Schleuderbetonmaste und großer Ortbetontürme gelegt. Abschließend wird die erforderliche Horizontalbewehrung für verschiedene Mast- und Turmquerschnitte ermittelt und mit den Normvorgaben verglichen.

Masts and towers of high strength concrete
Vertical cracks in windshields affect the structural behavior of tower-like structures in two ways: in the long term for small crack widths by water intrusion and reinforcement corrosion, and acutely for wide apertures by splitting the ring cross-section. For this reason, the safe as well as economic dimensioning of the horizontal reinforcement for masts and towers of reinforced concrete is of particular importance - especially in competition with the steel grid construction. However, the current standardization does not meet these requirements: There are no specifications for the size of the exposure temperature and moisture difference, and no guidelines for the computational procedure of the resulting constraining forces. Therefore, the following article explains the impact on the cylindrical structures and their reaction with respect to the number of cracks and the crack width by comparing the horizontal load-bearing behavior of small masts made of spun concrete and big towers made of in-situ concrete. Finally, the necessary horizontal reinforcement is determined for various mast and tower sections and compared with the standard specifications.

In der Praxis wird für die Ermittlung der Mindestbewehrung zur Begrenzung der Rissbreite oftmals der zentrische Zwang im frühen Betonalter zugrunde gelegt. Aus mechanischer Sicht kann diese Vorgehensweise nur als eine pragmatische Lösung angesehen werden, da hierbei die maßgebenden Faktoren, wie die zeitliche Entwicklung der Materialeigenschaften und die damit einhergehenden bauteiltypischen Verformungseinwirkungen sowie deren Behinderungssituation, nicht berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass die Mindestbewehrung für den zentrischen Zwang im frühen Betonalter nicht immer auf der sicheren Seite liegt. Schäden, insbesondere in der Form von wasserführenden Rissen bei WU-Konstruktionen, sind deshalb keine Seltenheit.
Die Schwächen des empirisch modifizierten Nachweises auf Grundlage der Rissschnittgröße wurden detailliert in [1] aufgezeigt und in [2] wurde bereits ein Konzept für die Festlegung der Mindestbewehrung auf Grundlage der Verformungskompatibilität vorgestellt. In einem dem vorliegenden Beitrag vorangegangenen ersten Teil [3] wurde bereits ein allgemeines Modell zur verformungsbasierten Ermittlung der Mindestbewehrung und dessen Anwendung für Bodenplatten präsentiert. Im vorliegenden zweiten Teil wird die Anwendung für den klassischen Fall “Wand auf Fundament” gezeigt und die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Modells durch einen direkten Vergleich mit Ergebnissen einer risskraftbasierten Bemessung gemäß heutiger Bemessungsstandards demonstriert.
Insgesamt lässt sich die Empirie bei der Bestimmung der Mindestbewehrung mit der verformungsbasierten Methode deutlich abschwächen, da hierbei stets Verträglichkeit entlang des gesamten Bauteils nachgewiesen wird. Im Gegensatz dazu wird bei der risskraftbasierten Bemessung gemäß EC2 [4] nur das Kräftegleichgewicht im Querschnitt betrachtet.

Minimum reinforcement for crack width control considering the real member behaviour
It is standard practice to determine the minimum reinforcement for crack width control on base of centric restraint due to concrete hardening. Although this concept gives straightforward results, it can only be seen as a pragmatic solution which is generally not on the safe side. In detail, this simplification neglects the deformation compatibility and considers therefore not the real member behaviour. As a result of this, structural damage - especially in form of leakage in watertight constructions - often occurs.
A detailed presentation of the weakness of this empirically modified cracking force approach can be found in [1]. However, the mechanically consistent determination of the minimum reinforcement for crack width control can be achieved by considering the deformation compatibility of the restrained member, see [2].
The previous first part of this contribution [3] presented the general application of the deformation-based design concept and its particular application in case of “ground slabs”. The following second part presents the particular application in case of “walls on foundations” as well as a direct comparison with results from a cracking force-based minimum reinforcement design according to current design standards.
Altogether, the introduced approach reduces the empiricism of minimum reinforcement design significantly. The main reason is the verification of deformation compatibility along the member length. In contrast, however, the cracking force-based minimum reinforcement design according to EC2 [4] solely verifies the equilibrium in a cross section.

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Zur Beurteilung des Ermüdungsverhaltens von Werkstoffen wie Beton und Stahlfaserbeton unter zyklischer Beanspruchung konstanter Amplitude haben sich WÖHLERlinien etabliert. Im Einstufen-Schwingversuch wird dabei eine Materialprobe einer zyklischen Beanspruchung bis zum Bruch ausgesetzt und die Anzahl aufnehmbarer Lastspiele logarithmiert als Funktion der Ermüdungslast aufgetragen. In der Literatur existiert eine Vielzahl empirischer WÖHLERlinien für z. B. normal- und hochfeste Betone ohne und mit Faserzusatz unter Schwell- oder Wechselbeanspruchung. Ein universell gültiger Ansatz fehlt hingegen bisher. Im Beitrag wird das Ermüdungsverhalten von Beton und Stahlfaserbeton verglichen und ein energetisches Duktilitätsmaß vorgestellt, das zur Klassifizierung der Betone geeignet ist und eine einheitliche Beschreibung des funktionalen Zusammenhanges von Bruchlastspielzahl und Ermüdungslast ermöglicht. Die mechanische Basis des Duktilitätsmaßes erlaubt zudem insbesondere für zyklisch biegezugbeanspruchte Stahlfaserbetone die gezielte Optimierung ermüdungsrelevanter Parameter wie Fasertyp und -menge. Anhand von Versuchsergebnissen aus der Literatur werden Genauigkeit und Allgemeingültigkeit des neuen Ansatzes verifiziert und an Beispielen vorgestellt.

Fatigue of plain and steel fibre reinforced concrete
To assess fatigue-life of plain and steel fibre reinforced concrete Wöhler- or rather SN-curves are well established. Those curves providing information about logarithmised numbers of cycles until failure as a function of constant amplitude loading can easily be derived via testing. In literature, a huge number of empirical SN approaches are available, valid either for normal or high-performance concrete containing variable amounts of fibres for instance. However, a more general approach is still missing. Subsequently, fatigue life of plain and steel fibre reinforced concrete at constant amplitude loading is contrasted yielding to modified but universally valid SN-curves containing a new toughness index. The mechanically based toughness index is suitable to distinguish between plain and fibre reinforced concrete and allows for the optimization of fibre characteristics like type and dosage to ensure maximum fatigue life. Finally, the presented SN approach is verified using test data from literature. The results are in good accordance on average.

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