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Kongresse - Symposien - Seminare - MessenBautechnik10/2020748Veranstaltungskalender

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Titelbild: Beton- und Stahlbetonbau 10/2020Beton- und Stahlbetonbau10/2020Titelbild

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Zum Titelbild:
Carbonbeton bringt zahlreiche Vorteile in der bautechnischen Verstärkung und Instandsetzung mit sich, speziell auch bei der Sanierung von Industriefußböden. Die Koch GmbH verfügt über die Möglichkeiten - unter Einsatz neuester wissenschaftlicher Methoden und Vorgehensweisen - Produkte, Komponenten, Verfahren und Trends in den Bereichen Betonsanierung, Beschichtung, statischer Verstärkung und Bauwerksmonitoring zu entwickeln. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind spezielle Anwendungsmöglichkeiten für Carbonbewehrungen, neuartige KKS-Systeme sowie innovative Bauwerkssensorik. Die HITEXBAU GmbH produziert auf Wirkmaschinen neuester Bauart und mit eigenen Beschichtungsanlagen Armierungsgitter für Beton aus Carbon, Basalt und AR-Glas. In einem innovativen, vollautomatischen Prozess können besonders großflächige und vielfältige Hochleistungs-Carbongelege kostengünstig für die Baubranche hergestellt werden. In Kooperation zwischen HITEXBAU und der Koch GmbH wurde ein Instandsetzungskonzept für eine ca. 3.300 m2 große Industriebodenfläche in Tschechien entwickelt und eine Ausführung in Rekordzeit durchgeführt. (Foto: Koch GmbH)

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Inhalt: Beton- und Stahlbetonbau 10/2020Beton- und Stahlbetonbau10/2020Inhalt

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Fischer, Oliver(Brücken)bau im WandelBeton- und Stahlbetonbau10/2020745Editorials

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Löschmann, Jens; Clauß, Felix; Mark, PeterVerstärken von Stahlbetontragwerken mit TemperaturinduktionBeton- und Stahlbetonbau10/2020746-757Aufsätze

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Nachträgliche Verstärkungen wirken nicht für Eigengewichte. Ohne ein Anheben oder Vorspannen bleiben durch sie erzeugte Spannungen im Bestand eingeprägt und lagern sich erst bei erheblicher Rissbildung auf die Verstärkung um. Zur Lösung wird hier eine Temperierung von außen vorgeschlagen (Temperaturinduktion). Sie ist nutzbar für statisch unbestimmte Tragwerke und dient der Verstärkung der Biegetragfähigkeit mit nachträglich eingeschlitzter Bewehrung.
Grundprinzip ist das planmäßige Einbringen von Temperaturgradienten. Damit lassen sich Schnittgrößen beliebig verändern. Die Eigengewichtsmomente werden derart mit induzierten Zwangsspannungen aus der Temperatur überlagert, dass die zu verstärkenden Bereiche entlastet sind. Es folgen Verstärkung und Rückgang der Temperierung. Die Verstärkung ist dann bereits für die Aufnahme des Eigengewichts wirksam. Die Methode wird an einem Zweifeldträger im Labor umgesetzt und für die Verstärkung der Stützbewehrung bei hohen bzw. geringen Eigenlasten demonstriert.

Strengthening of reinforced concrete structures with temperature induction
Subsequent strengthening is not effective for dead loads. Without lifting or pre-stressing, stresses generated by dead loads remain imprinted into the existing member and are not transferred to the additional reinforcement before considerable cracks have formed. Controlled external temperature induction yields a solution to this problem as suggested here. It can be used for statically indeterminate structures and increases the bending resistance due to reinforcement subsequently glued into slots.
The fundamental idea is a systematic induction of temperature gradients. This enables to alter internal forces as required. The bending moments due to dead load are superimposed with stresses induced by temperature constraints so that regions which require strengthening are relieved. Once strengthening is applied the temperature gradient is lowered. This way, strengthening already contributes to carry the dead load. The method is exemplified on two-span girders in the lab. Its potential is demonstrated by strengthening of the reinforcement at the internal support on high and low dead load levels.

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Müller, Egbert; Schmidt, Angela; Schumann, Alexander; May, Sebastian; Curbach, ManfredBiegeverstärkung mit Carbonbeton - Neue Carbonbewehrung im AnwendungstestBeton- und Stahlbetonbau10/2020758-767Aufsätze

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Die Biegeverstärkung von Stahlbetontragwerken mit Carbonbeton wurde in der Vergangenheit bereits umfangreich untersucht und auch in der Praxis schon mehrfach erfolgreich angewendet. Seit 2014 existiert außerdem eine allgemeine bauaufsichtliche Zulassung (Z-31.10-182) für die Verstärkung von Stahlbetonbauteilen mit textilbewehrtem Beton. Jedoch haben sich die Carbonbewehrungen in den vergangenen Jahren weiterentwickelt, weshalb im Rahmen des Projekts “C3 - Carbon Concrete Composite” die Übertragbarkeit der bekannten Erkenntnisse auf zwei aktuelle Carbongelege mit unterschiedlichen Tränkungen untersucht wurde. Hierfür wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm mit insgesamt 18 Großbauteilversuchen an der TU Dresden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse werden im vorliegenden Beitrag vorgestellt und diskutiert.

Flexural strengthening with carbon reinforced concrete - tests with new carbon reinforcements
The flexural strengthening of reinforced concrete structures with carbon reinforced concrete has already been extensively investigated in the past and successfully applied in practice several times. Since 2014, there has also been a German general building approval (Z-31.10-182) for the strengthening of reinforced concrete with textile reinforced concrete. However, the carbon reinforcements have developed further in recent years, which is why the transferability of the known findings to two current carbon fabrics with different impregnations was investigated within the scope of the project “C3 - Carbon Concrete Composite”. For this purpose, an extensive test program with a total of 18 large component tests was carried out at TU Dresden. The results obtained are presented and discussed in this article.

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Farwig, Kristina; Neumann, Julia; Schneider, Robert; Breitenbücher, Rolf; Curbach, ManfredInstandsetzung von gefugten Betonflächen mit einer dünnen Schicht aus CarbonbetonBeton- und Stahlbetonbau10/2020768-778Aufsätze

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Ein typisches Anwendungsfeld für gefugte Betonflächen sind Betonfahrbahnen. Diese sind hohen Beanspruchungen aus dem Verkehrsaufkommen und extremen Witterungsbedingungen ausgesetzt. Um wilde Risse aus daraus entstehenden Zwangsspannungen zu verhindern, werden in der Regel Querscheinfugen eingebracht. Diese stellen jedoch zugleich eine Schwachstelle im Beton dar, sodass eine kontinuierliche Instandhaltung und Wartung notwendig werden. Eine ökologisch und ökonomisch sinnvolle Alternative zur Erneuerung der gesamten Betondecke ist die Sanierung der Betonfahrbahn mithilfe einer fugenlosen und zugleich dünnen Deckschicht aus Carbonbeton. Eine Trennung des Verbunds zwischen Alt- und Carbonbeton im Bereich der Querscheinfuge gewährleistet die Verteilung entstehender Risse und die Reduzierung der Einzelrissbreiten durch multiple Rissbildung. Flüssigkeiten können so weniger tief in den Beton eindringen und schaden weder dem Altbeton noch der korrosionsresistenten Carbonbewehrung.

Repair of concrete traffic areas with slim carbon reinforced concrete layers
Concrete pavements are exposed to high loads from existing traffic volumes and extreme weather conditions. In order to prevent wild cracking caused by the resulting constraining stresses, transverse joints are usually installed. However, these are also weak points in the concrete pavement, so that continuous maintenance and upkeeping is necessary. An ecologically and economically viable alternative to renewing the entire concrete slab is to rehabilitate the concrete runway with the aid of a jointless as well as thin top layer of carbon reinforced concrete. By separating the bond between the old concrete layer and the carbon concrete layer in the area of the transverse joint, a distribution of cracks is ensured and the crack width of the individual cracks in the carbon reinforced concrete pavement is reduced by multiple crack formation. Liquids can therefore penetrate less deeply into the concrete and damage neither the old concrete layer nor the corrosion-resistant carbon reinforcement.

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Krütt, Enno; Weise, Frank; Meng, BirgitEinfluss einer druckschwellinduzierten Degradation von Fahrbahndeckenbeton auf die schädigende AKRBeton- und Stahlbetonbau10/2020779-788Aufsätze

Kurzfassung

In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Neben dem AKR-fördernden Einfluss von alkalihaltigen Taumitteln werden Fahrbahndecken zyklischen mechanischen Belastungen infolge des Verkehrs und Zwangsspannungen durch klimatische Einwirkungen ausgesetzt. Solche mechanischen Belastungen werden bisher in keinem AKR-Prüfverfahren berücksichtigt. Die zyklischen Belastungen können zu einer Degradation des Betongefüges führen, die ggf. einen AKR-fördernden Einfluss hat. Dieser Beitrag stellt Untersuchungen vor, die zur Beantwortung der Frage nach dem Einfluss einer zyklischen mechanischen Belastung auf den AKR-Schadensprozess beitragen. Dabei wird der Hypothese nachgegangen, dass die ermüdungsinduzierte Degradation zu einer Erhöhung des Stofftransports führt. Dieser hat einen Einfluss auf die AKR-Schadensentwicklung, da die Reaktionspartner zunächst zum Reaktionsort transportiert werden müssen. Daher wird angenommen, dass sich mit dem Stofftransport auch die AKR-Schädigung verstärkt. Es werden Betonproben aus typischen Fahrbahndeckenbetonen einer vorgeschalteten zyklischen Druckschwellbelastung ausgesetzt. Die Degradation infolge der Vorbelastung wird simultan mittels ZfP-Verfahren charakterisiert. Anschließend werden die Auswirkungen der zyklischen Vorschädigung auf den Stofftransport sowie auf die AKR vergleichend an Prüfkörpern ohne und mit Vorschädigung untersucht. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die zyklische Vorschädigung sowohl den Stofftransport als auch die AKR fördert.

Influence of cyclic compressive loading induced degradation of road pavement concrete on harmful AAR
In recent years the German motorway network has seen an increase in the occurrence of damage to concrete road surfaces built before 2005, which can be attributed to the alkali-silica reaction (ASR). In addition to exposure to ASR-stimulating alkali-rich deicing-agents, road surfaces are also subjected to cyclical mechanical loading resulting from traffic and induced stresses due to climatic impact. Such mechanical loadings are not considered in any of the previously developed ASR testing procedures. This cyclical loading could, however, lead to a degradation of the concrete microstructure and, in turn, stimulate the ASR-process. This article presents investigations that contribute to answering the question of whether a mechanically induced degradation influences the ASR-process. The hypothesis that the mechanically induced degradation leads to an increase in mass transport is examined. The mass transport is important for the ASR process because the reactants need to be transported to the reaction location before the reaction can take place. Therefore, it is assumed that increased mass transport also leads to increased ASR damage. Concrete specimens made of typical pavement concretes are subjected to a pre-damaging cyclic compressive loading. The degradation is characterized simultaneously during the pre-damaging process using non-destructive testing (NDT) techniques. Then the effects of the cyclical pre-damage on the mass transport as well as on the ASR are determined by comparing results from test specimens with and without pre-damage. The results lead to the conclusion that the cyclical pre-damage increases both the mass transport and the ASR.

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Riedel, Philipp; Leutbecher, TorstenEinfluss der Faserorientierung und des Fasergehalts auf die Druckfestigkeit von ultrahochfestem BetonBeton- und Stahlbetonbau10/2020789-800Aufsätze

Kurzfassung

Abhängig von Geometrie und Herstellmethodik können sich in Bauteilen aus faserbewehrtem Beton (lokal) sehr unterschiedliche Faserorientierungen einstellen. Der Faserbeton verhält sich in der Folge nicht mehr isotrop, sondern zeigt je nach Beanspruchungsrichtung ein unterschiedliches Zug- und Drucktragverhalten. Für ultrahochfesten Beton (UHFB) ist dieser Aspekt von besonderer Relevanz, da UHFB in der Anwendung meist hohe Fasergehalte aufweist. Während der Einfluss der Faserorientierung auf das Zugtragverhalten von UHFB bereits Gegenstand zahlreicher Studien war, fehlten bislang aussagekräftige Daten, um die auf die Faserbewehrung zurückzuführende Anisotropie im Drucktragverhalten größenmäßig fassen zu können. Im Rahmen einer Versuchsreihe wurde daher der Einfluss der Faserorientierung und des Fasergehalts auf das Bruchverhalten und die Druckfestigkeit von Fein- und Grobkorn-UHFB eingehend untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Druckfestigkeit bei überwiegend unidirektionaler Ausrichtung der Fasern in der Ebene senkrecht zur Belastungsrichtung mit steigendem Fasergehalt deutlich zunimmt. Dagegen ist der Einfluss des Fasergehalts bei einer überwiegend unidirektionalen Ausrichtung der Fasern in Belastungsrichtung gering. Abhängig von der Belastungsrichtung unterscheidet sich die Druckfestigkeit am Würfel um bis zu 26 N/mm2 bzw. 14 %. Die Differenz zwischen Würfel- und Zylinderdruckfestigkeit nimmt mit steigendem Fasergehalt zu. Auf Basis der Ergebnisse erfolgt eine Empfehlung zur Festlegung von Betonfestigkeitsklassen für die DAfStb-Richtlinie “Ultrahochfester Beton”.

Effect of Fibre Orientation and Fibre Volume Fraction on the Compressive Strength of Ultra-High Performance Concrete
Depending on the geometry and casting method, structural members made of fibre reinforced concrete may (locally) show very different fibre orientation. As a result, the fibre reinforced concrete no longer behaves isotropically, but shows different tensile and compressive behaviour depending on the direction of loading. This aspect is of special importance for ultra-high performance concrete (UHPC), since UHPC is typically applied with high fibre volume fraction. While the influence of fibre orientation on the tensile behaviour of UHPC has already been subject of numerous studies, there was a lack of meaningful data so far in order to be able to quantify the anisotropy in compression caused by the fibres. Thus, the influence of fibre orientation and fibre volume fraction on the failure pattern and on the compressive strength of fine- and coarse-grained UHPC was investigated in a series of tests. The results show that with predominantly unidirectional alignment of fibres in the plane perpendicular to the loading direction, the compressive strength increases significantly with increasing fibre volume fraction. In contrast, the influence of fibre volume fraction is marginal with predominantly unidirectional alignment of fibres in the direction of loading. Depending on the loading direction, the compressive strength tested on cubes differs by up to 26 MPa and 14 %, respectively. The difference between cube and cylinder compressive strength increases with increasing fibre volume fraction. Based on the results, a proposal for classifying UHPC in the DAfStb Guideline “Ultra-High Performance Concrete” is provided.

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Shepherd, David Alós; Helbig, Ingo; Kühn, Roman; Dehn, FrankNeue Erkenntnisse zur Qualitätssicherung von PP-Faserbetonen am Beispiel des Straßentunnels KriegsstraßeBeton- und Stahlbetonbau10/2020801-810Aufsätze

Kurzfassung

Der 1,5 km lange Straßentunnel Kriegsstraße in Karlsruhe wird in offener Bauweise, mit Tunnelwänden und -decken aus PP-Faserbeton, hergestellt. Entgegen der ZTV-ING, Teil 5, werden 1,5 kg PP-Fasern pro m3 Beton anstatt 2,0 kg/m3 dosiert. Die Minderdosierung an PP-Fasern, zusammen mit einem ausführlichen Qualitätssicherungskonzept für den Beton, führte zu einer erhöhten Betonbauqualität, wie im Rahmen der Erst-, Bauteil- und Identitätsprüfung nachgewiesen wurde. Durch die Reduktion der PP-Fasermenge ist eine robustere, weniger temperaturempfindliche Betonmischung zielsicher herstellbar. Die PP-Faserdosierung ist aufgrund des Einflusses auf die Frischbetoneigenschaften als zentraler Qualitätssicherungsparameter einzustufen. Die Wahl einer händischen oder automatischen Dosierung hat erheblichen Einfluss auf die Dosierungsgenauigkeit. Bei entsprechendem Erfahrungsnachweis im Umgang mit PP-Faserbeton könnte ggf. das Nachweisverfahren zur Reduktion des PP-Fasergehalts vereinfacht werden.

New insights into the quality assurance of PP-fibre reinforced concrete as exemplified by the Kriegsstraße road tunnel
The 1.5 km long Kriegsstraße road tunnel in Karlsruhe is being constructed using the cut and cover method, with tunnel walls and ceilings made of PP-fibre reinforced concrete. Differing from the German ZTV-ING, Part 5, 1.5 kg of PP-fibres per m3 of concrete, instead of 2.0 kg/m3 are being added. The lower PP-fibre dosage along with an extensive quality assurance concept incurred in a higher concrete construction quality, proven through initial, structural element and quality assurance testing. With PP-fibre dosage reduction a more robust, less temperature sensitive concrete mixture is obtained. Due to the influence of PP-fibre dosage on fresh concrete properties, PP-fibre dosage should be considered as a key quality assurance parameter. The dosage precision also clearly depends on the choice between manual or automatic PP-fibre dosage. If sufficient experience with PP-fibre reinforced concrete can be proven, the verification process for a PP-fibre content reduction could be simplified.

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Huber, Tobias; Huber, Patrick; Kollegger, JohannQuerkraftmodell für bestehende Stahlbetonbauteile mit aufgebogenen LängsstäbenBeton- und Stahlbetonbau10/2020811-820Aufsätze

Kurzfassung

Die historische Ausführungsform der aufgebogenen Längsstäbe zur Schubsicherung ist nach den heutigen Regelwerken nur bedingt vorgesehen. Bei der Bewertung von bestehenden Tragwerken steht der Ingenieur nun vor der Herausforderung, dass die Anwendung der Querkraftmodelle nach Eurocode 2 aufgrund von konstruktiven Regeln in vielen Fällen nicht möglich ist. An der TU Wien wurde deshalb ein Nachweiskonzept entwickelt, welches eine realistische Bewertung dieser Situation ermöglicht. Das Modell des potenziellen Schubrisses (PSC-Modell) gründet auf detaillierten Analysen der Rissbilder von Versuchen und wurde mit Versuchsdatenbanken evaluiert. Das Potenzial des vorgestellten Modells konnte anhand der Nachrechnung einer realen Stahlbetonplattenbrücke aufgezeigt werden. Die neuen Erkenntnisse werden bereits in der neuen ÖNORM B4002-8 zur Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Tragwerke berücksichtigt, wodurch ein Bogen von der Grundlagenforschung in die Anwenderpraxis gespannt wurde.

Shear strength model for existing RC components with bent-up bars
The implementation of bent-up longitudinal bars as shear reinforcement has been long outdated and is therefore seldom pursuant to current regulations and standards. When evaluating existing structures, the engineer is now faced with the challenge that the application of the shear models according to Eurocode 2 is often not possible due to the failing compliance to the stated design rules. A verification concept was therefore developed at TU Wien, which enables a realistic assessment of this situation. The Potential Shear Crack Model (PSC-Model) is based on detailed analyzes of crack patterns of conducted tests with a subsequent evaluation of various data bases. The potential of the presented model was shown by recalculating a real reinforced concrete slab bridge. The new insights have been factored into the new ÖNORM B4002-8 for the assessment of the load-bearing capacity of existing structures, interconnecting fundamental research with actual application.

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Adam, Viviane; Claßen, Martin; Hegger, JosefVersuche zum Querkrafttragverhalten bei gleichzeitiger ZugnormalkraftBeton- und Stahlbetonbau10/2020821-831Aufsätze

Kurzfassung

Querkraftbeanspruchte Stahlbetonplatten können unter bestimmten Umständen durch zusätzliche Zugnormalspannungen belastet sein. Beispiele dafür sind Platten unter Zwangbeanspruchung, Stahlbetonfahrbahnplatten von Verbundbogenbrücken oder Silowände. Der Ansatz zur Berücksichtigung von Normalspannungen im aktuellen Bemessungskonzept für Querkraft ohne Querkraftbewehrung nach Eurocode 2 (EC2) wurde über Versuche an vorgespannten Einfeldträgern kalibriert. Da der Einfluss von Zugnormalkräften durch den Bemessungsansatz nur näherungsweise erfasst wird, wurden am Institut für Massivbau der RWTH Aachen Versuche an Plattenstreifen unter Querkraft- und gleichzeitiger Zugnormalkraftbeanspruchung durchgeführt. Neben Einfeldträgern wurden auch Plattenstreifen mit Durchlaufwirkung getestet, um den Einfluss praxisnaher statischer Systeme zu untersuchen. Durch den Momentenwechsel im Mehrfeldsystem entsteht ein Bereich ohne Biegebeanspruchung, der das Schubfeld in zwei Abschnitte unterteilt (Feld- und Stützmomentenbereich). Da sich beim Biegeschubversagen der maßgebende Schubriss in der Regel aus einem Biegeriss entwickelt, wird das Tragverhalten zum einen durch das statische System beeinflusst und zum anderen durch die kombinierte Normalkraft- und Biegebeanspruchung. Abweichend vom linearen Ansatz der Normalspannung im EC2 wurde in den eigenen experimentellen Untersuchungen sowie bei Versuchen aus der Literatur mit steigender Zugbeanspruchung ein degressiver Einfluss der Zugnormalspannung auf die Querkrafttragfähigkeit festgestellt.

Tests on Shear Behaviour with Concurrent Normal Tensile Action
Reinforced concrete (RC) slabs under shear loading can sometimes be subjected to additional normal tensile stresses. Examples are slabs under constraint stresses, RC bridge deck slabs of composite arch bridges or silo walls. The coefficient for normal stresses in the current design approach for shear without shear reinforcement according to Eurocode 2 (EC2) was calibrated using tests on prestressed simply supported beams. The influence of normal tensile forces is only approximately covered by the design approach. Therefore, tests were carried out at the Institute of Structural Concrete at RWTH Aachen University on slab strips under shear and simultaneous tensile normal force loading. In addition to single-span slab segments, tests on continuous members were also carried out to investigate the influence of more realistic structural systems. The point of contraflexure in multi-span systems results in an area without bending stresses, which divides the shear span into two regions (sagging and hogging moment area). Since the critical shear crack usually develops from a flexural crack for flexural shear failure, the load-bearing behaviour is influenced by the loading conditions on the one hand and by the combined normal and flexural loading on the other hand. Contrary to the linear approach for the influence of the normal stress in the EC2, a degressive influence of the tensile normal stress on shear capacity was found in the own experimental investigations as well as in tests from literature review with increasing tensile stress.

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Über 53 Millionen Kubikmeter Transportbeton in 2019Beton- und Stahlbetonbau10/2020831Nachrichten

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Beton- und Stahlbetonbau aktuell 10/2020Beton- und Stahlbetonbau10/2020833-835Beton- und Stahlbetonbau aktuell

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Persönliches:
Nachruf Professor Dipl.-Ing. Rolf Sennewald

Nachrichten: urbainable - stadthaltig
Jahrbuch Ingenieurbaukunst 2022: Projekte bis zum 22. Dezember 2020 einreichen

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Kongresse - Symposien - Seminare - MessenBeton- und Stahlbetonbau10/2020836Veranstaltungskalender

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Inhalt: Stahlbau 10/2020Stahlbau10/2020Inhalt

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Titelbild: Stahlbau 10/2020Stahlbau10/2020Titelbild

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Zum Titelbild:
Anfang August wurde in München bautechnisches Neuland betreten: Für das neue Hotel an der Landsberger Straße wurde ein Ballsaal ohne zusätzliche Stützen konzipiert. Bei der Realisation der baulichen Umsetzung bediente sich die EuroAtlantic Gruppe als Bauherr, die ATP München Planungs GmbH mit Schäfer + Merkin Ingenieure GmbH als Planer und das Bauunternehmen Köster einer neuen Technik, die üblicherweise im Brückenbau angewendet wird: Die Deckenkonstruktion des Saals sieht Doppelverbundträger vor. Die spektakuläre Montage derselben fand unter Einsatz des laut Unternehmensangaben leistungsfähigsten Teleskop-Raupenkrans der Welt statt. (Foto: Köster GmbH)

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Kraus, Michael; Taras, AndreasBrücken planen und bauen - mit Stahl und (Künstlicher) IntelligenzStahlbau10/2020823Editorials

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Kraus, Michael A.; Taras, AndreasPhysik-informierte Künstliche Intelligenz zur Berechnung und Bemessung im StahlbauStahlbau10/2020824-832Aufsätze

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Herrn Prof. Dr.-Ing. Ingbert Mangerig zur Vollendung seines 70. Lebensjahres gewidmet
Die Technologie der Künstlichen Intelligenz (KI) hält derzeit flächendeckend Einzug in Forschung und Praxis aller Branchen. Vorliegender Beitrag greift dies auf, um Hintergründe der KI allgemein sowie speziell für Physik-informierte KI (PIKI) einzuführen. Ausgewählte Beispiele der Berechnungs- und Bemessungspraxis des Stahlbaus veranschaulichen die Anwendung von Physik-informierten Neuronalen Netzen (PINN), wobei spezifische Anforderungen an die Formulierungen des Lernproblems herausgearbeitet werden. PINNs stellen somit eine Alternative zu etablierten numerischen Verfahren unter besonderer Berücksichtigung vorhandener Simulations- und Versuchsdaten dar. Dies erlaubt die Interpretation und Nutzung von PINNs als digitalen Zwilling eines Tragwerks über dessen Lebenszyklus. Die dargestellte PIKI bedingt nicht per se eine Big-Data-Situation und ist damit für die Ingenieurforschung und -praxis interessant. Ein Ausblick auf künftige Anwendungen der KI im Stahlbau rundet diesen Beitrag ab.

Computation and verification of steel constructions using physics-informed artificial intelligence
Currently the technology of artificial intelligence (AI) spreads into research and industry practice of all branches in diverse forms. Given that situation, this article serves to introduce the reader to theoretical background on AI in general as well as to the specific case of physics-informed AI (PIKI). Selected examples from design and verification practice of steel construction then illustrate the application of physics-informed neural nets (PINN) methods, where the specific requirements for the formulation of the learning problem are highlighted. PINN serves as an alternative to established computational methods for design of steel structures and its components using available experimental and simulation data. This enables the interpretation and use of PINNs being the digital twin of a steel structure over its lifecycle. PIKI as presented here does not per se cause a “big data” situation and is therefore interesting for engineering research and practice. This paper eventually gives perspectives on future applications of AI for steel construction.

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Mensinger, Martin; Engl, Matthias; Rengstl, MathiasAnpassung der 2D-Referenz-Rissmodelle im Anhang 8 der RiL 805:2012 - Überführung von 3D-Rissmodellen zu 2D-Referenz-RissmodellenStahlbau10/2020833-839Aufsätze

Kurzfassung

Herrn Prof. Dr.-Ing. Ingbert Mangerig zur Vollendung seines 70. Lebensjahres gewidmet
Das Vorgehen zur Erstellung von 2D-Referenz-Rissmodellen entsprechend der Richtlinie 805:2012 Anhang 8 wird schrittweise dargestellt. Dieser Anhang der RiL 805 dient der Festlegung von sicheren Betriebszeitintervallen von bestehenden genieteten Eisenbahnbrücken und wird derzeit überarbeitet. Neben den bruchmechanischen Hintergründen bei genieteten Eisenbahnbrücken wird auch die Anwendung der FEM für 3D-/2D-Parameterstudien bei Rissen erläutert. Das Vorgehen zur Definition von Modellbreiten wird aufgezeigt und exemplarisch an einem genieteten Winkel demonstriert.

Adaptation of the 2D reference crack models in Annex 8 of RiL 805:2012 - transfer from 3D fracture models to 2D reference fracture models
The procedure for the creation of 2D reference crack models according to the RiL 805:2012 Annex 8 is presented. This appendix of the RiL 805 serves to define safe operating time intervals of existing riveted railway bridges and is currently under revision. Besides the fracture mechanical background of riveted railway bridges, the application of FEM for 3D/2D parameter studies of cracks is explained. The procedure for defining model widths is shown and exemplified at a riveted angle.

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Köppl, Johannes; Kraus, Michael A.Zur Berücksichtigung thermoviskoelastischer Einflüsse polymerer Komponenten bei der Modellierung der Dynamik von Schwenktraversen-DehnfugenStahlbau10/2020840-851Aufsätze

Kurzfassung

Herrn Prof. Dr.-Ing. Ingbert Mangerig zur Vollendung seines 70. Lebensjahres gewidmet
Der vorliegende Beitrag fasst den aktuellen Stand der Forschung bez. der Modellierung von Schwenktraversen-Dehnfugen (DS) und deren zugehöriger Komponenten zusammen. Ausgehend von den erarbeiteten Schwachstellen wird ein verbesserter Ansatz zur realitätsnahen Modellierung und Bemessung von DS hergeleitet. Dieser besteht aus zwei aufeinander aufbauenden Arbeitsschritten. Zunächst erfolgt eine korrekte experimentelle Ermittlung und Ableitung der Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten der Elastomerkomponenten der Dehnfuge. Auf der Grundlage einer in diesem Beitrag vorgestellten Methode zur arbeitskonjugierten Linearisierung der viskoelastischen Materialeigenschaften der Lagerpolymere wird die Verwendung baupraktisch üblicher Finite-Elemente-Software zur Untersuchung von DS ermöglicht. Das Beispiel der numerischen Modellierung einer DS veranschaulicht das hier vorgestellte Näherungsverfahren und verdeutlicht die realitätsnahe und zutreffende Abbildung von DS mit dieser Methode.

Incorporation of thermoviscoelastic effects on the design of swivel joist-expansion joints
This paper summarizes the current state of research and standardization regarding the design of swivel joist-expansion joints (DS) and their components. Based on identified shortcomings in the state of the art an improvement approach for the realistic modelling and design of DSs is derived. The proposal consists of two work steps building upon each other. First, a correct experimental determination and derivation of the stiffness and damping coefficients of the elastomer components of the bearings within the theory of linear viscoelasticity is carried out. In order to enable using software of engineering practice for a finite element (FE) analysis of the DS, the non-constant stiffness and damping properties of the DS-polymers are derived in a work-conjugate fashion on the basis of a method for linearizing the viscoelastic material properties presented in this article. Using the example of a numerical design of an expansion joint, it is then illustrated that the method presented here leads to a realistic and accurate design of DS.

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Friedl, Roland; Bauer, Matthias; Bulicek, HansMethoden zur Bewertung der Ermüdungssicherheit bestehender Stahlbrücken - Am Beispiel der Franz-Josef-Strauß-Brücke in PassauStahlbau10/2020852-864Aufsätze

Kurzfassung

Herrn Prof. Dr.-Ing. Ingbert Mangerig zur Vollendung seines 70. Lebensjahres gewidmet
Begründet in der Einführung neuartiger Schweißverfahren sowie schweißgeeigneter Stahlsorten kam es in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts zu einer rasanten Entwicklung neuer Bau- und Konstruktionsweisen im Stahlbrückenbau. Insbesondere im Zuge der Entwicklung der orthotropen Fahrbahnplatte sowie der Ausführung zunehmend komplexer Knotenpunkte in der Form hoch tragfähiger Schweißkonstruktionen wurden die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Ermüdungssicherheit in Verbindung mit stetig steigenden Verkehrsbeanspruchungen anfänglich unterschätzt. Daher existiert eine große Anzahl an nicht ausreichend ermüdungssicher konstruierten Stahlbrücken, deren Standsicherheit und Zukunftsfähigkeit auch im Hinblick auf ein ressourcenoptimiertes Erhaltungsmanagement zu bewerten sind. Am Beispiel einer Stabbogenbrücke mit abgehängter orthotroper Fahrbahn werden unterschiedliche Methoden zur Bewertung der Ermüdungssicherheit bestehender Stahlbrücken aufgezeigt und insbesondere im Hinblick auf deren praktische Anwendbarkeit im Zuge einer Brückennachrechnung diskutiert.

Fatigue assessment of existing steel bridges - discussed on basis of the Franz-Josef-Strauß-Bridge in Passau
Due to the introduction of new welding methods and weldable steel grades, a rapid development of new building and construction methods in steel bridge construction took place in the second half of the last century. Especially in the course of the development of the orthotropic roadway slab as well as the execution of highly utilized welded joints, the resulting effects on fatigue resistance in connection with steadily increasing traffic loads were initially underestimated. For this reason, there is a large number of steel bridges that are not sufficiently fatigue-resistant and whose stability and future viability must also be evaluated with regard to resource-optimised maintenance management. Using the example of a tied arch bridge with a suspended orthotropic deck, different methods for evaluating the fatigue resistance of existing steel bridges are presented and discussed. Special emphasis is put on practical applicability in the course of a bridge reassessment.

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Marzahn, Gero; Mertzsch, Olaf; Kramer, LisaDer Traglastindex zur Bewertung struktureller Eigenschaften von StraßenbrückenStahlbau10/2020865-873Berichte

Kurzfassung

Dieser Beitrag ist auch in den Ernst & Sohn-Zeitschriften Beton- und Stahlbetonbau Heft 7 und Bautechnik Heft 7 erschienen.
Seit Jahrzehnten wird der Zustand von Brückenbauwerken auf der Grundlage der Zustandsnote als Ergebnis einer Bauwerksprüfung bewertet. Jedoch zeigen durchgeführte Nachrechnungen von Brückenbauwerken, dass strukturellen Defizite, z. B. geringe oder nicht ausreichende Tragkapazitäten, durch Zustandsnoten nicht oder nur unzureichend abgebildet werden, solange keine entsprechenden Schäden oder ungewöhnliches Verhalten erkennbar sind. So sind Beispiele bekannt, bei denen defizitäre Brücken ersetzt werden müssen, obwohl die Zustandsnote auf eine gute Erhaltung schließen lässt und umgekehrt. Zur besseren Erfassung und Bewertung der strukturellen Eigenschaften einer Brücke, also der tragfähigkeitsrelevanten Eigenschaften eines Tragwerks, wurde ein weiterer, neuer Kennwert entwickelt. Der Traglastindex erlaubt eine andere Sicht, weil er anhand verschiedener Kriterien vermutete Defizite unabhängig vom baulichen Zustand benennt, denen im Weiteren nachzugehen ist. Insofern beschreiben beide Kennwerte, sowohl die Zustandsnote als auch der Traglastindex, den Zustand und die Nutzungsfähigkeit eines Bauwerks mit unterschiedlicher Blickrichtung und erlauben somit eine Vervollständigung des Gesamtbilds vom Bauwerk.

Load-bearing index to grade structural capacities of road bridges
For decades, bridge structural conditions have been evaluated on the basis of structural health grades determined during a bridge examination. However, recalculations conducted for bridge structures show that structural deficiencies, such as low or insufficient load-bearing capacities, are not or not sufficiently reflected by these conditions if no corresponding damage or unusual behavior can be detected. There are known cases of deficient bridges that had to be replaced even though the structural health grade suggested a good condition or vice versa. To better measure and assess the structural conditions of a bridge, i.e., the criteria of the superstructure that are relevant for the load-bearing capacity, a new parameter was developed. The load-bearing index allows for a different perspective as it identifies presumed deficiencies on the basis of various criteria that are independent of the physical condition. In a next step, these deficiencies have to be further examined. Both parameters - the structural health grade and the load-bearing index - describe the condition and the usability of a structure. But they do so from a different point of view, and, therefore, complete the overall picture of the structure.

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