Preiswerte Energie bildet die Grundlage des Wohlstands von Industrienationen. Erzeugt wird diese derzeit und in naher Zukunft in thermischen Großkraftwerken von bis zu 1,2 GW Leistung, auf der Basis von Kohle oder Kernkraft. Derartige Kraftwerke benötigen zur Rück-Kondensation ihres Arbeitsmediums Dampf große Naturzugkühltürme, um natürliche Gewässer nicht thermisch zu belasten und sie so zu vergiften. Der vorliegende Beitrag beschreibt diese größten Schalenkonstruktionen aus Stahlbeton, er erläutert aus der Vielzahl beim Bau und Entwurf auftretender technischer Probleme die Nachweise der Beulsicherheit sowie die oftmals komplizierten Gründungssituationen.

Design of large Natural Draft Cooling Towers
Cheap energy forms the basis of the wealth of industrial nations. Cheap energy will be generated presently and in near future in thermal power plants up to 1.2 GW of power, working on basis of coal or nuclear fuel. Such power plants require large natural draft cooling towers for re-condensation of their working medium steam, to avoid thermal poisoning of natural waters. The present manuscript describes these largest shell structures made of reinforced concrete, it details, from multiple problems during design and construction, the safety proofs of shell stability, and their often complicated foundations.

Die Arbeit befaßt sich mit der dynamisch zweckmäßigen Auslegung der Unterbauten von Reinraumgeräten und Reinraumproduktionsstätten. Die hohe Präzision der Reinraumproduktion erfordert eine dynamisch unempfindliche, schwer erregbare Gründungskonstruktion. Es wird an einigen praktischen Beispielen gezeigt, wie ein solches Gründungssystem gestaltet werden kann und worauf es bei der Dimensionierung ankommt.

Die "Reinraumtechnologie" erfordert Produktionsstätten mit extrem niedrigem Erschütterungsniveau. Es wird die Frage behandelt, wie sich störende Baugrundwellen unter einem Fundamentsystem verändern, und es werden Auslegungskriterien angegeben,nach denen ein "dynamisch gutmütiges" Fundamentsystem entworfen werden kann.

Das Entwerfen von Bauwerken wird in der öffentlichen Wahrnehmung fast ausnahmslos den Architekten zugeordnet und die Tragwerksplanung wird im allgemeinen Verständnis mit Statik und Berechnung gleichgesetzt. Dabei ist der Entwurf eines Tragwerks ein wesentlicher Teil der Tragwerksplanung. Das Entwerfen von Tragwerken ist zwar nicht dem architektonischen Entwerfen gleichzusetzen, aber es handelt sich um einen eigenständigen, kreativen Prozess, der von den Ingenieuren eine Haltung und Positionierung zu Ästhetik und Gestaltung erfordert. Jörg Schlaich hat diese Positionierung von uns Bauingenieuren immer wieder eingefordert und darauf hingewiesen, dass selbst die Gestaltung von Ingenieurbauwerken mehr Dimensionen erfordert als ihre bloße Herleitung aus Funktion und Technologie. Die weit verbreitete Kategorisierung in entwerfende Architekten und rechnende Ingenieure hat ihre Wurzeln sicher auch in dem gegenseitigen sprachlichen Unverständnis. Die gegenseitige Verständigung ist Grundvoraussetzung, um sich in die Debatte um den kulturellen Beitrag unserer Bauwerke in der Gesellschaft einbringen zu können.

On designing structures.
The term design is in building almost invariably associated with the profession of the architects in the public perception and structural design in the general understanding is equated with structural analysis and calculation. While designing a structure is an essential part of the structural engineering. Structural design is although not architectural design, but it is a stand-alone, creative process that requires an attitude and positioning to aesthetics and design by the engineers. Jörg Schlaich has repeatedly claimed this positioning of us engineers and often pointed out that even the design of civil engineering works requires more dimensions than their mere inference of function and technology. The wide-spread categorization in designing architects and calculating engineers has its roots in the mutual linguistic understanding. The mutual understanding is prerequisite to the debate on the cultural contribution of our structures in society to engage with.

Der Beitrag beschäftigt sich mit dem Themenfeld des “elementierten Stukturleichtbaus” - hauptsächlich unter Verwendung von offenen Stahlprofilen in Kombination mit Spannbetondeckenelementen (weiterführende Überlegungen ersetzen aber auch noch diese, bspw. durch Brettstapeldecken).
Ein weiteres Detailmerkmal besteht darin, dass innerhalb der Struktur entstehende Kräfte nicht “gebündelt” werden, um sie wenig später vor der Einleitung in den Baugrund wieder zu verteilen, sondern ähnlich dem Prinzip einer Rennradfelge mit sehr vielen, aber äußerst schlanken Speichen die Lasten dort abzutragen, wo sie entstehen.
So kann es bspw. gelingen, dass die vertikalen Tragelemente des sog. “Primärtragwerkes” den Strukturabmessungen von Fassadenprofilen sehr stark nahe kommen - bis zu dem Punkt, diese zu ersetzen. Die Fassade erhält somit gar kein eigenes Tragsystem, sondern wird nur mittels “Aufsatzprofilen” integriert.
Das gewählte System zeichnet sich weiterhin auch dadurch aus, dass es gleichzeitig die endgültige Element-/Oberfläche des “Endausbaus” bildet. Es wird nicht verkleidet.
Bestimmte Voraussetzungen müssen hierfür stets erfüllt werden - der konzeptionelle Brandschutz muss eine F0- oder zumindest nur eine F30-Konstruktion zulassen, das Aussteifungskonzept sollte weitestgehend ohne Einspannungen auskommen sowie der weitere technische und baukonstruktive Gebäudeausbau sollte diese “strukturelle Direktheit” aufgreifen. Auch der Schallschutz muss auf diese Art des Leichtbaus reagieren - so würden die verwendeten Betonfertigteildecken z. B. nur einer vergleichsweise 11 cm starken massiven Ortbetondeckenplatte entsprechen. Diese geringe Eigenlast ist aber wiederum Voraussetzung für die äußerst filigrane weiterführende lastabtragende Konstruktion.
Sichtbar wird hierbei der unabdingbare Zusammenhang zwischen konstruktiv bedingter “Eigenlast” und der gewählten zugehörigen lastabtragenden Struktur.

On designing lightweight force paths - with the example of the extension to the Transport Department building Kißlegg.
This article addresses the topic “the design of modular lightweight structures” - using primarily open steel profiles in combination with prestressed concrete slab elements (further considerations, however, even replace these, for example, with slabs in the brettstapel system).
A further design feature consists of forces that arise within the structure not being “bundled” for later distribution prior to being introduced into the ground. Instead, similar to the principle of the rim of a racing bike with many but extremely thin spikes, loads are transferred at the point where they arise.
For example, it may happen that the vertical structural elements of what is referred to as the “primary load-bearing structure” may come so close to the structural dimensions of facade profiles to the point of actually replacing them. Therefore, the façade does not have its own structural system but is integrated only by way of “add-on profiles”.
An additional feature of the chosen system is the fact that it is also the final element/surface of the “inal expansion phase”. It will not be clad.
Certain requirements always have to be fulfilled to achieve this. The fire protection concept has to provide for class F0 design or at the very least only permit an F30 structure, the stiffening concept should be achieved without clamping as far as possible and the additional technical and construction extension is intended to take up this “structural directness”. The sound insulation also has to react to this type of lightweight structure. For example, the precast concrete slabs used would only correspond to a comparable 11 cm thick solid in-situ concrete slab. However, this low dead load is, in turn, a requirement for the extremely delicate, continuous load-bearing design.
The indispensable connection between the design “dead load” and the chosen associated load-bearing structure becomes visible in this case.

Die Verwendung von modularen Holzschaltischen ermöglicht die Wiederbelebung des Betonschalenbaus in Form von Faltwerken. Während einer “Stagnationsphase” im Schalenbau haben sich jedoch die normativen bauphysikalischen und bautechnischen Anforderungen an die Betonbauten verändert. Am Beispiel der Dachschale des neuen “Subways” innerhalb der “Kelley Barracks” Stuttgart-Möhringen werden im nachfolgenden Bericht die wesentlichen Aspekte des Entwerfens und Realisierens moderner Faltwerke angesprochen. In Zusammenhang mit der höheren Fertigungsfreundlichkeit ihrer Formen konnte unter Verwendung eines Faltwerks ein wirtschaftliches Ergebnis erzielt werden. Ihr Vorteil liegt des Weiteren in der einfachen Durchbildung von Temperaturstößen bzw. Temperaturblöcken. Nicht zuletzt haben die Autoren beim Entwurf der Dachschale die Einbaubarkeit von linearen thermischen Isokörben mitentwickelt.

On designing concrete shell construction: the new “Subway” bistro pavilion in Kelley Barracks, Stuttgart
The use of modular timber formwork allows for the revival of concrete shell construction in the form of folding structures. During a “period of stagnation” in concrete shell construction, however, the normative requirements in terms of the physical and technical construction of concrete structures changed. Taking the example of the roof shell of the new “Subway” bistro in the Kelly Barracks in Stuttgart-Möhringen, this report addresses the essential aspects of the design and implementation of modern folding structures. Combined with a greater ease of production of the moulds, a good economic result was achieved using a folding structure. A further advantage is the simple design of temperature shocks or temperature blocks. Finally, the authors helped to develop linear thermal isokorbs when designing the roof shell.

Der exzentrisch gezogene, vorgespannte L-Stoß dient als Ersatzsystem für einseitige Flanschstöße in windbeanspruchten turmartigen Konstruktionen mit kreisförmigem Querschnitt. Für den Nachweis der Ermüdungssicherheit der Schrauben muß das nichtlineare elastostatische Tragverhalten des Stoßes, verursacht durch das sukzessive Klaffen der vorgedrückten Kontaktflächen bei exzentrischer Zugbelastung, bekannt sein. Es läßt sich mit einem FE-3D-Modell unter Einschluß von Kontaktelementen numerisch zutreffend simulieren, wie ein Vergleich mit dem von Petersen veröffentlichten experimentellen Befund zeigt. Für die näherungsweise baupraktische Ermittlung der Schraubenkräfte wird aus den FE-Ergebnissen ein verbesseres Ingeniermodell abgeleitet.

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Zeitweise fließfähige selbstverdichtende Verfüllbaustoffe (ZFSV) sind Verfüllbaustoffe aus Böden und Baustoffen, die nur unter dem Einfluss der Schwerkraft in Hohlräume fließen und nach einem definierten Zeitraum den Anwendungen entsprechende physikalische Eigenschaften aufweisen. Im Leitungsbau kommen ZFSV zum Einsatz, um bei der offenen Bauweise den Graben zu verfüllen. Vorbehalte gegenüber der Übertragbarkeit vorhandener Berechnungsmethoden für die Rohrstatik und die dauerhafte Gewährleistung der Wiederaushubfestigkeit führten zu einem bis heute andauernden Akzeptanzproblem dieser Verlegemethode im Fernwärmeleitungsbau. Da sich Fernwärmeleitungen nach der Installation infolge eines thermischen Belastungskollektivs im Betrieb ausdehnen, interagieren diese Leitungen immer mit dem anstehenden Bettungsmaterial. Mit dem vorliegenden Aufsatz wird ein Einblick in den Stand des Wissens gegeben und ein vereinfachter Berechnungsansatz vorgeschlagen, der neben deutlich komplexeren Modellen steht und daher die Möglichkeit bietet, aufgrund der Einfachheit Akzeptanzprobleme zu überwinden.

On the use of ZFSV in district heating pipeline construction
Temporarily flowable self-compacting backfill materials (ZFSV) are backfill materials made of soils and building materials that only flow into cavities under the influence of gravity and after a defined period of time exhibit the physical properties appropriate to the application. In pipeline construction, ZFSV are used to backfill the trench. Reservations regarding the transferability of existing calculation methods for pipe statics and the reliability of the ability for re-excavation led to a problem of acceptance of this installation method in district heating pipeline construction that continues until today. As district heating pipes expand during operation after installation due to thermal loads, these pipes always interact with the bedding material. In this paper an overview of the state of the art is given and a simplified calculation approach is proposed, which stands next to much more complex models and therefore offers the possibility to overcome acceptance problems due to its simplicity.

Seit einiger Zeit werden häufig Verpresspfähle statt Verpressanker für die Rückverankerung von Spundwänden eingesetzt. Diese werden meist in gleicher Weise wie Verpressanker gemäß DIN 4125 eignungsgeprüft. Es wird das Tragverhalten von Verpresspfählen und Verpressankern in Sandböden während der Prüfung und im Gebrauchszustand untersucht und verglichen. Zunächst wird auf die statische Wirkungsweise von Verpressankern sowie Verpresspfählen eingegangen und deren Unterschiede im Tragverhalten kurz beschrieben. Daneben wird der aktuelle Stand der Normung vorgestellt. Schließlich werden mit der Finite-Elemente-Methode erhaltene Ergebnisse dargestellt. Verpresspfähle zeigen bei der Probebelastung ein signifikant anderes, nämlich deutlich günstigeres Tragverhalten als im Endzustand. Wesentlicher Grund dafür ist, dass bei der Probebelastung im Gegensatz zum Endzustand innerhalb des Gleitkeils Kräfte in den Boden übertragen werden, was durch eine Verspannung zwischen Wand und Boden durch die Abstützung der Prüfpresse gegen die Spundwand noch verstärkt wird. Diese Effekte sind bei der Auswertung einer Verpresspfahlprüfung unbedingt zu berücksichtigen.

Zur Frage der Anwendung der Regelungen des Eurocode 4 auf Verbundstützen mit hochfestem Beton werden 16 Versuche mit betongefüllten Hohlprofilen vorgestellt. Weiterhin wird die Übertragung eines Bemessungsvorschlages für die Lasteinleitung in betongefüllte Hohlprofile auf hochfesten Beton diskutiert.

Für die Gründung der zunehmend größeren und leistungsstärkeren Windenergieanlagen ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine Flachgründung anzustreben. Als besonders geeignete Baugrundverbesserungsmaßnahme für derartige Flachgründungen auf setzungsempfindlichen Weichschichten erwies sich der Tragschichteinbau (bewehrt und unbewehrt). Zur weiteren Erhöhung der Tragfähigkeit können in das Tragschichtpolster zusätzliche Bewehrungselemente aus Geokunststoffen eingebaut werden, wodurch eine günstigere Lastverteilung in den Untergrund erreicht, Spannungsspitzen abgebaut und die resultierenden Setzungen vergleichmäßigt werden. Zur Untersuchung der tragfähigkeits- und standsicherheitserhöhenden Eigenschaften von Geokunststoffen bei bewehrten Gründungspolstern unter flachgegründeten Windenergieanlagen in wenig tragfähigem Boden wurden im Rahmen dieser Studie numerische Untersuchung mit dem Programmsystem PLAXIS 2d, Version 8.2, durchgeführt, wobei sowohl der separate Beitrag des Füllbodens bzw. des Bewehrungselements ermittelt wurde. Es konnte nachgewiesen werden, daß die Anwendung von Geokunststoffen bei bewehrten Gründungspolstern einen signifikanten Sicherheitszuwachs sowie eine damit einhergehende Verkippungsreduzierung zur Folge hat.

Beim Einsatz von Betondübeln in Bauwerken unter nichtruhenden Beanspruchungen sind hinreichende Erkenntnisse zum Ermüdungsverhalten erforderlich. Auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen wurde unter Verwendung von Rechenansätzen des örtlichen Konzepts ein Berechnungsprinzip erarbeitet, welches einen zuverlässigen Nachweis gegen Versagen durch Werkstoffermüdung gestattet. Der vorliegende Beitrag schließt an den ersten, im Dezember 2011 erschienen Beitrag [28] an.

The application of concrete dowels in composite constructions (Part 2) - Dynamic loading.
Substantial understanding of fatigue properties of concrete dowels promotes applications of such composite structures in a non stationary load environment. Hence a calculation procedure was developed based on push-out tests, beam tests and numerical analysis of peak stress in order to provide a safe design against fatigue failure. This paper follows the first part, which was published at the end of 2011 [28].

Umfangreiche Forschungsaktivitäten zu alternativen Verdübelungssystemen haben in den zurückliegenden Jahren gezeigt, dass Betondübel eine wirtschaftliche und mechanisch geeignete Variante zur Schubsicherung ermöglichen. Bei diesem Verbundsystem entsteht die Verdübelung bei der Herstellung der Betontragkomponente, indem in das Stahlprofil eingebrachte Aussparungen von unterschiedlicher geometrischer Gestalt mit Bewehrung versehen und einbetoniert werden. Auf der Grundlage einer Vielzahl ausgewerteter Versuche konnte ein statistisch abgesichertes Bemessungskonzept erarbeitet werden, das auf das gesamte Spektrum getesteter Dübelformen anzuwenden ist. Zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit einer Verbundsicherung durch Betondübel wurden Aussparungsgeometrien dahingehend weiterentwickelt, dass Brennschnittführungen mit dem Focus auf minimalen Verschnitt im Vordergrund standen. Neben Blechtafeln können auf diese Weise auch Walzträger in zwei gleichwertige, obergurtlose Stahlprofile mit Aussparungen im Stegbereich getrennt werden. Die vorliegenden Berechnungskonzepte wurden ausnahmslos halbempirisch aufgestellt. Obwohl für vorwiegend ruhend beanspruchte Bauteile eine Verbundsicherung mit Betondübeln auf der Basis einer Vielzahl von Versuchen möglich ist, erfordern neue Dübelformen trotzdem absichernde Versuche.

The application of concrete dowels in composite constructions (Part 1) - Statical loading.
Extensive research activities during last years proved concrete dowels as mechanical and economical reasonable alternative solution for shear connections of composite members. Concrete dowels are produced through recesses of various geometries and topologies in webs or flanges of steel profiles, filled with reinforcement and places in concrete chords. A design concept could be developed based on numerous laboratory tests applicable in a range of tested and statistically evaluated dowel sizes and shapes. Supplemental research projects have been established for economical reasons in order to consider optimized dowel shapes supporting automatic laser cut methods that divide standard steel profiles into two profiles without upper flange including concrete dowels in web plates within only one process. Extended design procedures for such specific dowel topologies require further experimental verification.

Der Einsatz hochfester Werkstoffe im Verbundbau führt zu deutlich höheren Querschnittstragfähigkeiten. Die Spannungs-Dehnungs-Charakteristik von hochfesten Baustoffen und der Last-Schlupfverlauf von Kopfbolzendübeln in hochfestem Beton erfordern eine Anpassung der Bemessungsregeln in Eurocode 4 (Draft No. 3, March 2001). Dieser Aufsatz beschreibt Vorschläge zum wirtschaftlichen und sicheren Einsatz hochfester Baustoffe in Verbundträgern. Die Bemessungsregeln des aktuellen Entwurfs von Eurocode 4 (EC 4) werden vorgestellt und durch Vorschläge für den Einsatz von hochfestem Beton C 70/85 in Kombination mit Stahl S 460 ergänzt. Anhand von Bemessungsbeispielen wird die Anwendung der Bemessungsvorschläge erläutert. In [2] wurde hierzu bereits die Bemessung des Betongurtes für Verbundträger aus hochfestem Beton und hochfestem Stahl im negativen Momentenbereich diskutiert.

Im Rahmen des EGKS-Forschungsvorhabens "Hochfester Stahl und hochfester Beton in Verbundkonstruktionen" wurden am Institut für Massivbau der RWTH Aachen drei Einfeld-Verbundträger unter negativer Momentenbeanspruchung geprüft. In dem vorliegenden Artikel werden diese Versuche und ihre Ergebnisse zunächst beschrieben, dann wird eine neue Formulierung für den erforderlichen Mindestbewehrungsgrad beim Einsatz hochfester Materialien vorgeschlagen.

Vorstellung eines Bemessungsmodells für den Stahlbetonbau- und Spannbetonbau, das es erlaubt durch Reduzierung auf einige typische Stabwerkmodelle Beanspruchungsbereiche mit überwiegend Biegebeanspruchung (B-Bereiche) und Bereiche mit Scheibenbeanspruchung (D-Bereiche von Diskontinuität) geschlossen zu beschreiben.

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Nach kurzer einführender Beschreibung der Vorzüge und Besonderheiten von Stabdübelverbindungen wird die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit beschrieben: Ermittlung des Einflusses von Ast- und Kerbwirkung auf die Tragfähigkeit von Zugstößen und -anschlüssen mit Stabdübeln und Erarbeitung entsprechender Bemessungsvorschläge. Als Ergebnis der Untersuchung werden in Abschnitt 5 einfache Bemessungsempfehlungen für Stabdübelverbindungen unter Zugbeanspruchung angegeben. Daraus geht hervor, daß bei Brutto-Querschnittsflächen des einzelnen Holzes mit A >= 100 cm2 Äste im Bereich der Stabdübelverbindungen bei der Bemessung nicht berücksichtigt zu werden brauchen. Wenn Äste bzw. Astgruppen im Bereich der ersten Stabdübelebene nicht ausgeschlossen werden können und die Brutto-Querschnittsfläche A des Einzelholzes kleiner als 100cm2 ist, sollte die zulässige Zugspannung bei Stoß und Anschlußteilen entweder mit dem angegebenen Faktor a = a(A) nach Gleichung (6) - oder, vereinfachend pauschal um 20% abgemindert werden.

Um den Einfluss von Spanngliedern bei der Rissbreitenbeschränkung berücksichtigen zu können, wurde aus theoretischen Überlegungen und praktischen Versuchen ein Ansatz hergeleitet, der das Verbundverhalten von Spanngliedern im Vergleich zu unmittelbar einbetonierten Betonstählen beschreibt. Eine vorliegende Theorie für die Berechnung von kritischen Rissbreiten wurde um die Berücksichtigung von Spanngliedern erweitert und durch Versuche überprüft.

Wenn beim Entstehen der Schubrisse zusätzlich auch Längszugspannungen vorhanden sind, bewirken sie in Stahlbetonbalken steilere Schubrisse. Dies führt zu einer Traglastminderung, wenn die steiler entstandenen Erstrisse sich so aufweiten, daß sich keine flacher verlaufenden Zweitrisse bilden. Dieser Sachverhalt wurde rechnerisch-theoretisch untersucht und durch Versuche an 12 Stahlbetonbalken bestätigt.

Verbindungen bzw. Anschlüsse haben die Kräfte und Momente zwischen den einzelnen Bauteilen mit einer ausreichenden Sicherheit zu übertragen. Ihr Tragverhalten beeinflußt die Verteilung der Schnittgrößen innerhalb des Tragwerks. Im vorliegenden Beitrag wird das Momenten-Verdrehungsverhalten von Verbundanschlüssen anhand von Versuchen beschrieben, und ihr Einfluß auf das Tragverhalten von Verbund-Durchlaufträgern mit nachgiebigen, teiltragfähigen Verbindungen wird aufgezeigt. Vorschläge zur rechnerischen Bestimmung der kennzeichnenden Anschlußeigenschaften werden vorgestellt, mit Versuchsergebnissen verglichen und diskutiert.

Mögliche Ursache für den Einsturz der Naturzugkühltürme in Ferrybridge (1965) und Bouchain (1979) war das dort fehlende obere Randglied. In der Arbeit wird versucht, den Einfluss des aussteifenden oberen Randglieds auf die kinetische Stabilität und das dynamische Antwortverhalten von Naturzugkühlturmen zu beschreiben.

Forschungsarbeiten haben gezeigt, daß Biegespannungen verursacht durch hohe Temperaturgradienten am ersten Tag in Betonbodenplatten mehr zu Rissen beitragen können, als zentrische Zugspannungen verursacht durch Bodenreibung. Betonbauteile, die im Kern bei hohen, in der Randzone aber bei niedrigen Temperaturen erhärten, erhalten nach dem Abkühlen des Kernes eine thermische Vorspannung, die die Rißempfindlichkeit erheblich vermindert. Wenn Temperaturrisse zu befürchten sind, soll die Oberfläche des Betons daher vom Beginn der Erhärtung an durch Besprühen mit Wasser oder reflektierende Nachbehandlungsmittel kühl gehalten werden.