Im Beitrag wird ein Bemessungsansatz für die Verbesserungswirkung organischer Böden durch Sandsäulen basierend auf den Ergebnissen einer Reihe von klein- und mittelmaßstäblichen Modellversuchen vorgestellt. Wesentliches Ziel der Modellversuche war die Antwort auf die Fragestellung nach der formstabilen Herstellbarkeit von nicht ummantelten Sandsäulen in weichen organischen Böden sowie deren resultierendes Last-Verformungsverhalten. Gegenstand der Untersuchungen war, neben dem Einfluss des gewählten Säulenherstellungsverfahrens, der Einfluss des organischen Anteils des Bodens als auch des gewählten Flächenverhältnisses. Die Ergebnisse der Modellversuche wurden in einer Modellfamilie zusammengefasst und auf In-situ-Verhältnisse extrapoliert. Als Grundlage eines Bemessungskonzepts wurde das in der Praxis für Baugrundverbesserungen etablierte Verfahren nach Priebe gewählt, dessen Erweiterung auf der Grundlage der eigenen Untersuchungsergebnisse erfolgte. Die Plausibilität und Validität der vorgeschlagenen Erweiterung konnte mit den Setzungsmessungen eines großmaßstäblichen Modellversuchs als auch anhand eines Bauvorhabens aus dem Straßenbau nachgewiesen werden. Abschließend wird auf die noch offengebliebenen Fragen zu dieser Baugrundverbesserungsmethode eingegangen.

Sand columns for ground improvement of soft organic soils
This paper presents the results of a series of small and medium scale model tests. The aim of the model tests was to investigate whether non-encased sand columns can be produced in soft organic soils and whether they remain dimensionally stable under load and can therefore be assigned to load transfer. In addition to the influence of the chosen column production method, the influence of the organic part of the soil as well as the chosen area ratio should be investigated. The results of the model tests were summarized in a model family and extrapolated to in situ conditions. The comparison with forecasts according to the design concept according to Priebe led to an extension of this design concept. The plausibility of this extension could be verified with the settlement measurements of a large-scale model test as well as of a road construction project. Finally, further necessary research activities within the scope of this question are discussed.

In 2011 Herrenknecht designed a shaft sinking machine suitable for applications in frozen ground or soft to medium hard rock up to 120 Mpa, with variable shaft diameters as well as geometries. The target was to develop a machine that will provide safe working conditions for the personnel and exceed the shaft sinking rates of conventional systems.
Two prototypes were manufactured and assembled at the Herrenknecht works in Schwanau during winter/spring 2012. In early summer of 2012, cutting trials were performed with the aim of achieving the maximal possible cutting rate performance. After successful completion of the cutting trials, the machines where shipped to Canada and assembled at the site. In November 2012, the first machine was lowered into the shaft and first cutting cycles where performed before Christmas 2012. Assembly and commissioning of the second machine follows in early 2013.
Die Herrenknecht AG hat im Jahr 2011 eine Maschine für das maschinelle Abteufen von Schächten in gefrorenem Boden oder weichem bis mittelhartem Gestein mit einer Druckfestigkeit von bis zu 120 MPa entwickelt. Ein großes Ziel dieser Entwicklung war, die Arbeitsbedingungen für das Personal im Schacht sicherer zu gestalten sowie die Schachtabteufgeschwindigkeit konventioneller Anlagen zu übertreffen.
Zwei Prototypen wurden hergestellt und im Zeitraum Winter 2011 bis Frühjahr 2012 auf dem Werksgelände der Herrenknecht AG in Schwanau montiert. Schneidversuche fanden im Frühjahr 2012 mit dem Ziel statt, die maximal mögliche Schneidleistung zu ermitteln. Nach erfolgreichem Abschluss der Schneidversuche wurden die Maschinen nach Kanada ausgeliefert und am Standort aufgebaut. Im November 2012 wurde die erste Maschine in den Vorschacht abgesenkt und die ersten Schneidzyklen noch vor Weihnachten 2012 durchgeführt. Aufbau und Inbetriebnahme der zweiten Maschine erfolgte im Sommer 2013.

This paper presents the development of a mix design method for geopolymer mortar mixes with a principal focus on compressive strength. The method is based on the hypothesis that the overall strength of geopolymer mortar depends on the strength of the geopolymer binder materials, the packing density of the aggregates in the mortar and the amount of geopolymer binder. First, the strength of the binder was evaluated experimentally. Fly ash obtained from two different sources and ground granulated blast-furnace slag were used as the main ingredients in the production of the geopolymer binder. Correlation between the packing density of the aggregates in the mortar and their influence on the binder demand and compressive strength were investigated. Finally, a conceptual framework for a geopolymer mortar mix design approach is proposed. In addition to describing the mortar mix design methodology in a rational way, it is hypothesized that the approach can also be extended to the development of a geopolymer concrete mix.

Dedicated to Prof. Dr.-Ing. Jörg Lange on the occasion of his 60th birthday
The fatigue life of welded joints is calculated using the effective cyclic J-integral as crack driving force. The plasticity induced crack closure effect is taken into consideration. Here, the fatigue life is regarded as period of short fatigue crack growth. Two and three dimensional finite element models, with cracks as initial defects, are constructed for this purpose. The finite element based crack growth analyses were performed by using the node release technique in combination with the finite element program ABAQUS. For fatigue life calculations, the effective cyclic J-integral was employed in a relation similar to the Paris (crack growth) equation. For this purpose, a Python code was written for the determination of the crack driving force for various relevant crack lengths. The calculated fatigue lives were compared with experimental data and a good accordance between both results was achieved.

Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen beschrieben mit Hilfe der elastisch-plastischen Bruchmechanik.
Die Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen wird unter Verwendung des effektiven zyklischen J-Integrals als risstreibende Kraft berechnet. Plastizitätsinduzierte Rissschließeffekte werden dabei berücksichtigt. Hierzu werden ebene und räumliche, mit rissartigen Imperfektionen versehene, Finite-Elemente-Modelle erstellt. Die Simulation des Ermüdungsrisswachstums erfolgt unter Anwendung des Node-Release-Verfahrens mit dem kommerziellen FE-Programm ABAQUS. Zur Berechnung der Lebensdauer wurde das effektive zyklische J-Integral in eine Relation ähnlich der Rissfortschrittsgleichung nach Paris eingesetzt. Zu diesem Zweck wurde ein Algorithmus geschrieben, um die risstreibende Kraft für verschiedene lebensdauerrelevante Risslängen zu bestimmen. Die damit berechneten Lebensdauern für technischen Anriss wurden mit experimentellen Daten verglichen: Berechnete und experimentell bestimmte Lebensdauern stimmten gut überein.

Durch die statische und dynamische Wirkung der Windlast liegt bei Naturzugkühltürmen aus Stahlbeton sowohl eine statische Beulgefährdung als auch die Möglichkeit von Resonanzschwingungen vor. Bei hinreichend kleinen System-Eigenkreisfrequenzen besteht die Gefahr der Resonanz mit der äusseren Erregung. Es wird rechnerisch nachgewiesen wie die kinetische Grenzlast von Kühlturmschalen in Abhängigkeit vom Verhältnis der Karmanschen Erregerkreisfrequenz zur Eigenkreisfrequenz sinkt.

A consistent and simplified direct strength method (DSM) is proposed for the design of cold-formed (or thin-walled) sections under localized loading, which is called web crippling. The development of this method proposes generalized equations for the design of thin-walled sections under the four different localized load cases: interior one-flange (IOF), end one-flange (EOF), interior two-flange (ITF) and end two-flange (ETF). The same parameters are used in the DSM equations for both the IOF and the EOF load cases. However, the ITF and ETF load cases require different parameters in the DSM equations to predict the capacities of structural members. The equations contain both an inelastic reserve component and a yield load component which are different from those proposed previously in this regard.
This paper briefly introduces the calculation of the buckling load and the yield load. From these two main input variables, DSM equations are used to determine the capacities of structural members under localized loading. Calibration was performed against all available experimental data to validate the accuracy of the DSM predictions.

Textile-reinforced concrete (TRC) is a combination of small-grain high-performance concrete (HPC) and high-strength textile reinforcement. TRC enables thin layers and has high tensile and compressive strengths. In this paper, TRC was used for the face layers and combined with a core of lightweight expanded polystyrene concrete (EPC) to create lightweight sandwich beams without special joint reinforcement to connect the layers. The experimental testing of the loadbearing behaviour of this kind of sandwich beam, along with the influence of the shear span-to-depth ratio (a/d) as observed during three- and four-point bending tests, will be summarized. The failure behaviour of the sandwich beams is influenced by the shear span-to-depth ratio, the type of bending test and the tensile capacity of the TRC layer. A diagonal tension failure occurred in experimental beams with 2.6 ≤ a/d ≤ 5.2 in three-point bending tests and 3.1 ≤ a/d ≤ 4.1 in four-point tests. The shear strength of the beams could be conservatively estimated according to the current European standards.

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In spring 2008 a rock slide detached from one of the walls in the quarry “Frauenmühle” locally used as climbing park, mobilizing a volume of 50 m3. The binary granite is relative fresh on the bottom of the walls, but the weathering increases significantly to the natural surface. The bedrock shows an orthogonal joint system enabling the so-called “Wollsackverwitterung”. Mapping of the joints followed by a kinematic analysis of the quarry wall by DIPS (Rocscience) indicates the slope failure to be of a planar sliding type on a medium-steep dipping plane. As the contributing factor for the slide, weathering along the plane has to be considered. Thereby the destruction of rock bridges downgrades the overall shear strength. A stability analysis based on the reconstructed block geometry and the determined shear parameters verifies the instability of the block. For today's situation, the kinematic analysis detects some critical intersections of joints being able to generate slide wedges.
Im Frühjahr 2008 ereignete sich im als Klettergarten genutzten Steinbruch Frauenmühle eine Felsrutschung, bei der sich ein Block von ca. 50 m3 aus einer der Steinbruchwände löste. Der hier anstehende Zweiglimmergranit ist im Fußbereich relativ frisch, zur Geländeoberfläche hin nimmt die Verwitterung deutlich zu. Das Gebirge zeigt ein orthogonales Kluftsystem, von dem aus die sogenannte Wollsackverwitterung angreift. Eine Trennflächenaufnahme und kinematische Analyse der Ausbruchwand mithilfe von DIPS (Rocscience) legt nahe, dass es sich bei der Rutschung um planares Gleiten auf einer mittelsteil aus der Wand fallenden Trennfläche handelte. Als entscheidender Faktor für das Abgleiten ist die Verwitterung zu sehen. Eine Stabilitätsanalyse mithilfe der rekonstruierten Blockgeometrie und der ermittelten Reibungsparameter stützt die Vermutung, dass die Zerstörung ehemaliger Felsbrücken durch fortschreitende Verwitterung zum Versagen führte. Für die heutige Situation identifiziert die kinematische Analyse mehrere kritische Verschneidungen, die in der bestehenden Wand Gleitkeilbildung ermöglichen können.

Der Artikel gibt einen Überblick über die im Simulationsprogramm Delphin 5 implementierten Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen Wärme- und Feuchtetransport sowie Salztransport einschl. Phasenumwandlungen in kapillarporösen Baustoffen beschreiben. Ausgehend von einem Konvektions-Diffusionsmodell für den Transport von binären Salzlösungen wurde das Simulationsprogramm um ein Modell für Salzgemische erweitert, welches den Transport und die Phasenumwandlungskinetik von Na-K-Cl-NO3-SO4-H2O-Systemen beschreibt. Ein kinetisches Modell für die Lösung und Kristallisation von Salzen wird vorgestellt, welches ebenso für Hydratations- und Dehydratationsreaktionen verwendet werden kann. Weitere Schwerpunkte des Artikels sind die Modellierung der thermodynamischen Eigenschaften von Salzlösungen sowie deren Auswirkungen auf die Materialfunktionen und die gekoppelten Wärme- und Feuchtetransportprozesse.

Mittels des COND-Berechnungsalgorithmus können eindimensionale Konstruktionsaufbauten hinsichtlich des hygrothermischen Verhaltens in der Kondensationsperiode bewertet werden. In Ergänzung zum Standardverfahren (Glaser) nach DIN 4108-3 berücksichtigt COND den kapillaren Transport von Kondensat. Damit lässt sich der Feuchteschutznachweis auch für moderne praxisbewährte Innendämmsysteme führen, die nach Glaser nicht nachweisfähig sind. Der Berechnungsalgorithmus wird in der überarbeiteten, allgemeingültigen Form detailliert und vollständig dargestellt und beschrieben. Das Materialmodell und eingeführte Vereinfachungen werden diskutiert. Abschließend werden Einsatzbereiche und Grenzen des Verfahrens erläutert.

With the COND algorithm architects and engineers may evaluate one-dimensional constructions with respect to their hygrothermal behavior within a condensation period.
COND considers, in contrast to the standard method (Glaser-method) according to DIN 4108-3, the capillary transport of interstitial condensate. The method allows hygrothermal verification of constructions, including modern internal insulation systems. Such systems, proven to be effective in practice but not verifiable with the Glaser method, may be analyzed and certified with the COND method. The article includes a full and detailed description of this computational algorithm. The paper discusses the material model and introduced simplifications, and concludes with a review on application fields and limits of the method.

Natürliche Belüftung kann zur Aufrechterhaltung des thermischen Komforts während der Sommerperioden beitragen. In Simulationsmodellen für die Analyse des thermischen Komforts wird das mit der natürlichen Belüftung verbundene Bewohnerverhalten häufig durch die Definition von Belüftungsregelsätzen einbezogen. Beispielsweise werden Fenster geöffnet, wenn die Raumtemperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, während gleichzeitig die Außentemperaturen unter einem Schwellenwert bleiben. Solche Regeln sind in Bauvorschriften, wie z. B. DIN 4108-2, enthalten. Diese Regeln wurden bislang jedoch im Hinblick auf Simulationsprogramme mit Integrationsmethoden mit fester Schrittzeit festgelegt, wobei oft stündliche Schrittweiten verwendet werden. Es ist jedoch allgemein nicht möglich, diese Regeln direkt in numerische Lösungsverfahren mit fehlergesteuerter adaptiver Zeitschrittanpassung (z. B. in THERAKLES, DELPHIN, COMSOL, MODELICA-Lösern etc.) zu übernehmen. Der Artikel erörtert Strategien und Modellvarianten, die mit solchen modernen Integrationsverfahren arbeiten und diskutiert neue Modellparameter, wie die Verzögerung oder die Totbandregelung. Die Auswirkungen dieser Parameterwahl werden anhand von Sensitivitätsstudien unter Verwendung des thermischen Raummodells THERAKLES veranschaulicht.

Thermal comfort: standard compliant modelling of natural ventilation in adaptive time step solvers
Natural ventilation can help maintain thermal comfort during summer periods. In simulation models for thermal comfort analysis, occupant behaviour related to natural ventilation is often included through definition of ventilation rule sets, included in building codes such as DIN 4108-2. For example, windows are opened when room temperature exceeds a given limit while at the same time outside temperatures remain below a threshold. However, these rules were so far defined with respect to fixed step time integration methods. Straight-forward implementation of such rules in error controlled adaptive time step integration solvers (e.g. included in THERAKLES, DELPHIN, COMSOL, MODELICA-solvers etc.) fails. The article discusses strategies and model variants that work with such modern solvers and discusses new model parameters such as the delay time or dead-band size. The impact of these parameter choices is illustrated with sensitivity studies using the thermal room model THERAKLES.

Trotz stetig steigender Rechenleistung moderner Computerhardware kann eine instationäre, dreidimensionale, hygrothermische Simulation immer noch ein langwieriger Vorgang sein. Um die Dauer einer Simulation zu reduzieren, stehen Nutzern verschiedene Einflussmöglichkeiten offen, deren Auswirkungen jedoch nur schwer bzw. aufwändig abzuschätzen sind. Der Artikel analysiert anhand zweier Fallbeispiele verschiedene Möglichkeiten, die Simulationszeiten zu reduzieren. Beginnend mit einer Gittersensitivitätsstudie wird die Skalierung des Aufwandes für verschiedene direkte und iterative Gleichungssystemlöser diskutiert. Weiterhin werden numerische Parameter wie Konvergenzfaktoren und Iterationsgrenzen untersucht. Basierend auf integrierten Laufzeitmessungen und Statistiken für verschiedenen Komponenten des Rechenkerns werden die iterativen Lösungsverfahren GMRES und BiCGStab in Kombination mit einem ILU-Vorkonditionierer betrachtet. Die Untersuchungen werden anhand der Software DELPHIN 6 durchgeführt. Der Artikel schließt mit einer Empfehlung für eine günstige Ausgangswahl an Algorithmen und Parametern in Abhängigkeit der Systemgröße und einer kompakten Methodik, diese anhand der Solverstatistiken weiter zu optimieren.

Performance optimization of hygrothermal simulations - Parameter optimization of iterative solvers
Despite continuously enhanced computer hardware, running dynamic 3D hygrothermal simulations may still be a time-consuming process. The duration of simulations may be reduced by user-selected numeric parameters. However, the actual impact of parameters like maximum Krylov subspace, convergence coefficients etc. proves difficult to estimate. In the article different methods of reducing simulation speed are applied to two example cases. Starting with a grid sensitivity study the scaling of effort for different direct and iterative linear equation system solvers is discussed. Further, we investigate parameters influencing the iterative equation system solvers GMRES and BiCGStab in combination with ILU preconditioners. The tests are done with the software DELPHIN 6. The article concludes with recommendation for suitable initial parameter selection based on system size and a short methodology on how to optimize parameters based on collected solver metrics.

Es wird eine Methodik vorgestellt, mit deren Hilfe aus bekannten verfahrenstechnischen Aggregaten für vorgegebene Aufbereitungsszenarien aus Ausgangsmaterial, Deponiepreisen, Annahmegebühren, Marktpreisen für Sekundärrohstoffe sowie variablen und investitionsabhängigen Kosten der Aggregate selbst optimale, d. h. auf die Erzielung maximalen Gewinns ausgelegte Aufbereitungsanlagen erstellt werden können. Die am Deutsch-Französischen Institut für Umweltforschung der Universität Karlsruhe entwickelte Methodik wurde als Prototyp auf PC implementiert und auf die Konfiguration von Bauschuttaufbereitungsanlagen angewendet. Für bestehende Anlagen eingesetzt, dient die Methodik der Produktionsplanung, aus der Anwendung auf verschiedene Szenarien konnte die zu erwartende Effizienz unterschiedlicher umweltpolitischer Instrumente wie Deponiepreisgestaltung oder Rohstoffsteuern abgeleitet werden.

Herrn Prof. Dr.-Ing Jörg Lange zur Vollendung seines 60. Lebensjahres gewidmet
Für die neue europäische Trägerrakete Ariane 6 wird auf dem Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guyana eine neue Startanlage gebaut. Zentrale Bauwerke der Startanlage werden der Starttisch und der Versorgungsmast für die Rakete sein. Der Starttisch dient als Plattform für die Rakete, muss die Belastung aus dem Start abtragen und beinhaltet umfangreiche technische Ausstattung. Der Mast ist bis zum Start für die Versorgung der Rakete verantwortlich und ebenfalls mit umfangreichen Überwachungsgeräten ausgestattet. Beide Bauwerke sind komplexe Stahlkonstruktionen. Nachfolgend wird auf die Planung sowie die Fertigung dieser beiden Konstruktionen eingegangen und die einzelnen Bauteile werden detailliert beschrieben.

Planning and production of the Ariane 6 launch table and umbilical mast.
New launch facilities for the future European Ariane 6 launcher are under construction at the spaceport Kourou in French Guyana. The launch table and the umbilical mast for the rocket will be essential buildings of the launch facilities. The launch table is functioning as a platform for the rocket, has to withstand the load of the rocket during launch, and contains extensive technical equipment. Until the launch the mast has to guarantee the umbilical connections of the rocket, moreover it is equipped with extensive monitoring devices. Both structures are complex steel structures. The planning and the production of the mentioned constructions and their individual components are hereafter described in detail.

Recently, SBHS (Steels for Bridge High-Performance Structure) has been introduced in Japan because of its remarkable mechanical properties. The main features of SBHS are high yield strength, improved toughness and weldability, which are superior to conventional steel materials at the corresponding tensile strength grades. In this study, these material properties of SBHS were compared with conventional steel materials through experimental studies as well as the Japanese design specifications. The main focus of this paper is the evaluation of the local buckling strength of two SBHS700 stub columns, each with cruciform section through compression tests. The load-displacement relationship, strain bifurcation related to plate buckling and out-of-plane deformation are discussed. Two test specimens with different width-to-thickness ratio parameters RR are compared. As the results indicate, for the specimen having a larger RR, an abrupt decrease in load was observed after the peak load, whereas the decrease in load for the specimen with a smaller RR proceeded gradually after the peak load with a much larger vertical displacement. In terms of local buckling strength, it was found to be possible to evaluate the SBHS700 stub column with cruciform section based on the existing ultimate strength curves.

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Der Digitale Zwilling Brücke leistet einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zum prädiktiven Lebenszyklusmanagement. In der Lebenszyklusphase “Betrieb” kann der Digitale Zwilling Brücke als effizientes Werkzeug in Bezug auf Analysieren, Vorhersagen, Steuern und Überwachen dienen. Ziel ist eine optimierte Erhaltung, deren Bedeutung angesichts der aktuellen Herausforderungen für Ingenieurbauwerke weiter steigt. Relevante Stakeholder mit ihren Bedarfen und Anforderungen müssen frühzeitig in die Konzeption des Digitalen Zwillings Brücke eingebunden werden. Dieser Weg wird durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) in vielfältigen Forschungsprojekten verfolgt und auch in einem laufenden Projekt zur Entwicklung einer Gesamtkonzeption des Digitalen Zwillings Brücke fortgeführt. Mögliche Anwendungsfälle wurden gesammelt und den Themenbereichen “Betriebsprozesse”, “Erhaltungsplanung und -durchführung” sowie “Strategisches Lebenszyklusmanagement” zugeordnet. Im Rahmen eines Workshops dienten die Anwendungsfälle der Diskussion und zur initialen Priorisierung mit Stakeholdern. Die Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für die Ausarbeitung des modularen Gesamtkonzepts Digitaler Zwilling Brücke und den Weg in die Praxis.

Use cases of a digital twin bridge in operation
The digital twin bridge makes an important contribution on the way to predictive life cycle management. The potentials are many, especially in the life cycle phase “operation”. There, the digital twin bridge can serve as an efficient tool in terms of analyses, predictions, control and monitoring. The goal is optimized maintenance, the importance of which continues to grow in view of the current challenges for civil engineering structures. It is therefore particularly important that relevant stakeholders with their needs and requirements are involved in the conception of the digital twin bridge at an early stage. This approach is being pursued by the German Federal Highway Research Institute (BASt) in various research projects that already cover partial aspects of the digital twin and is also being continued in an ongoing project to develop an overall concept for the digital twin bridge. Possible use cases were collected and assigned to the topics of “operational processes”, “maintenance planning and implementation” and “strategic life cycle management”. In a workshop, the use cases were discussed and initially ranked by and with stakeholders. The results form an important basis for the elaboration of the modular overall concept of the digital twin bridge and the way into practice.

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