- Architekturpreis Beton 2008 entschieden
- Die neue Metro-Linie m2
- fib Bulletin 46: Fire design of concrete structures - structural behaviour and assessment

Der Artikel vergleicht die Sicherheitselemente der Stahlbetonnorm ETV Beton und der aktuellen DIN 1045-1. Der Vergleich erfolgt sowohl allgemein für die charakteristischen Werte der Einwirkungen, für die Teilsicherheitsfaktoren für Einwirkungen und Widerstände und für die Kombinationsbeiwerte, als auch konkret über den Vergleich der ermittelten Bewehrungsmengen an einem Beispiel. Es zeigt sich, daß insbesondere der Teilsicherheitsfaktor für die ständigen Einwirkungen in dem ETV Beton niedriger als in der DIN 1045-1 war. Neuere Entwicklungen auf der Ebene des Eurocodes, die einen geringeren Teilsicherheitsfaktor für die Eigenlast vorschlagen, werden durch die hier vorgestellte Untersuchung gestützt.

Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kurz zur Vollendung seines 60. Lebensjahres gewidmet
Zur Minimierung der Profilverformung werden Verbundbrücken durch ihr Quersystem ausgesteift. Bei Verbundbrücken mit einem begehbaren Hohlkastenquerschnitt wird dieses i. d. R. durch einen Querrahmen ggf. mit Innen- bzw. Außendiagonalen gebildet. Bei der Bemessung des Quersystems ist die Annahme eines gelenkigen Anschlusses zwischen Querrahmen und Fahrbahnplatte praxisüblicher Standard. Eine Querbiegetragfähigkeit der Verbundfuge wird mangels fehlender Bemessungsregeln bzw.-modelle nicht in Rechnung gestellt. Da aufgetretene Schadensfälle zeigen, dass diese Annahme im Grenzzustand der Ermüdung auf der unsicheren Seite liegen kann, wird in den nachfolgenden Ausführungen ein praxistaugliches Berechnungsmodell vorgestellt, über welches sich die Anschlusssteifigkeit realistisch erfassen lässt. Die Plausibilität des entwickelten Modells wurde im Rahmen einer Monitoringmaßnahme an der Talbrücke Ganslandsiepen überprüft.

Investigations on the stiffness of cross frame connections in composite bridges
Composite bridges are stiffened by their cross system to minimize their profile deformation. In the case of composite bridges with an accessible box girder, this is usually formed by a transverse frame with internal or external diagonals. For the design of the cross system, it is common practice to assume a hinged connection between the cross frame and the deck slab. The composite joint's transverse bending load capacity is not considered due to the lack of design rules or models. Since cases of damage have shown that this assumption can be on the unsafe side in the fatigue limit state, a practical calculation model is presented, which allows the realistic consideration of the connection stiffness. The plausibility of the developed model was tested within a monitoring measure at the Ganslandsiepen viaduct.

Das Entwerfen im Leichtbau ist die Suche nach dem Leichtestmöglichen. Es ist das Herantasten an das physikalisch und das technisch Machbare und damit auch das Arbeiten an den wissenschaftlichen Grenzen. Mit dem vom Autor entwickelten Ultraleichtbau kann man die Grenzen des Leichtestmöglichen weit hinausschieben. Neben der Reduktion des Materialverbrauchs auf ein bisher nicht für vorstellbar gehaltenes Minimum wird es im Ultraleichtbau auch möglich, Verformungen zu reduzieren und Schwingungen unter dynamischer Beanspruchung zu dämpfen - ein enormer Fortschritt, der sehr interessante Perspektiven für das Bauwesen eröffnet. Der vorliegende Artikel beschreibt zugrundeliegende theoretische Überlegungen und präsentiert diverse Experimentalbauten, die das Potential des Ultraleichtbaus eindrücklich vor Augen führen.

Ultralightweight Structures.
The search for lightweight constructions is the search for boundaries. Designing the lightest possible constructions can be equated with feeling one’s way towards the limits of what is physically and technically possible. It is about the aesthetics and physics of the minimal, and it is about stepping across the dividing lines between scientific disciplines. Using the concept of Ultralightweight Structures developed by the author, it becomes possible to reduce the use of material to a minimum hihterto considered unachievable. Moreover, it leads to the reduction of distortions and helps to dampen vibrations - an enormous progress opening up interesting new perspectives for architecture. The present article describes the theoretical considerations underlying the concept of Ultralightweight structures and presents a selection of experimental structures demonstrating the potential of this new concept.

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Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit setzen ausreichende Duktilität voraus. Insbesondere bei der Bemessung nach dem Traglastverfahren, im Erdbebenfall, bei Explosion oder Anprall werden die plastischen Reserven von Konstruktionen gefordert, und es muss sichergestellt werden, dass ausreichendes Verformungsvermögen vorliegt und kein sprödes Versagen auftritt. Zur Absicherung der Nachweismodelle werden im Regelfall Versuche bei Raumtemperatur durchgeführt und entsprechende Sicherheitselemente abgeleitet.
Im Rahmen dieses Aufsatzes werden schädigungsmechanische Methoden vorgestellt, die es ermöglichen, das duktile Versagensverhalten von Stahlbauteilen vorherzusagen. Basierend auf einem Grenzzustand zwischen der lokalen plastischen Dehnungsanforderung, die sich aus der globalen Belastung, dem Detail und dem verwendeten Stahl ergibt, und dem lokalem plastischem Dehnungswiderstand, der sich in Abhängigkeit von Stahlsorte, Temperatur und Dehnrate quantifizieren lässt, können in Zukunft realistische Kriterien für die Werkstoffauswahl in der Hochlage bereitgestellt werden. Der nachfolgende Aufsatz zeigt Auszüge aus den Ergebnissen eines Europäischen Forschungsvorhabens [1] zur Bestimmung eines Hochlagenkriteriums für den Stahlbau.
Prediction of ductile failure of steel structures by damage mechanics.
For the verification in the ultimate limit state sufficient ductility is assumed. Especially in plastic design and for seismic events, explosion or impact it has to be ensured, that the structure shows sufficient deformation capacity and the material provides enough ductility in the upper shelf region and brittle fracture is excluded. To validate the verification procedures tests are performed at room temperature and corresponding safety elements are derived.
Within this article methods based on damage mechanics are presented which allow for an estimation of the ductile fracture behaviour of steel structures in the upper shelf. By this means extensive testing may be supplemented or replaced to some extent. Based upon a limit state between local plastic strain requirements arising from loading situation, detail and steel grade, and local plastic strain resistances given in dependency of the material, temperature and strain rate realistic criteria for the selection of material in the upper shelf will be derived.
In the following excerpts of the results of a European project [1] are shown which deals with the derivation of an upper shelf criterion for steel structures.

Statisch anspruchsvolle Probleme werden oft durch FE-Berechnungen mit Schalenelementen gelöst. Neben Verformungen, Spannungen und Schalenschnittgrößen interessieren außerdem häufig auftretende Stabschnittgrößen an Anschlußpunkten oder in verschiedenen Schnitten. Stabschnittgrößen aus FE-Schalenmodellen standen bisher noch nicht zur Verfügung, also mußten indirekte Wege gefunden werden, um z. B. Anschlußsteifigkeiten oder die gewünschten Schnittgrößen zu ermitteln. Im folgenden wird anhand einiger leicht verständlicher Beispiele ein vielseitig einsetzbares Verfahren vorgestellt, das die Berechnung von Stabschnittgrößen aus Spannungen der FEM ermöglicht.

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Am Institut für Baustatik und Konstruktion IBK der ETH Zürich wurde der Prototyp einer neuartigen Holz-Beton-Verbunddecke aus Laubholz entwickelt. Die Verbunddecke besteht aus dünnen (40 mm dicken) Furnierschichtholzplatten aus Buche (BauBuche) und einer 120 bis 160 mm dicken Betonschicht. Die Buchenplatten übernehmen sowohl die Funktion der Schalung als auch der Zugbewehrung. Als Verbund zwischen Beton und Holz werden 15 mm tiefe Kerben ins Holz gefräst, die zu einer steifen mechanischen Verzahnung zwischen Beton und Holz führen. Der Artikel stellt die Leitidee der Verbunddecke sowie die umfassenden durchgeführten experimentellen Untersuchungen vor. Dieses neuartige Deckensystem wurde im ETH House of Natural Resources (www.honr.ethz.ch) erstmals weltweit umgesetzt.

Experimental analysis on the structural behavior of timber-concrete composite slabs made of beech
At the Institute of Structural Engineering of the ETH Zurich, an innovative timber-concrete composite slab made of hardwood has been developed. This composite slab is made of a 40 mm thick beech laminated veneer lumber plate (BauBuche) and a 120-160 mm thick concrete layer. The beech plates act as formwork and tensile reinforcement. The connection between the two materials is accomplished with 15 mm deep notches in the timber plate, which ensure a stiff composite action. This paper presents the basic concept of the composite slab as well as the extensive performed experimental investigations. This innovative slab system was implemented for the first time in the ETH House of Natural Resources (www.honr.ethz.ch).

Die immer komplexere Konstruktionsweise von Neubauten einerseits und die alternde Infrastruktur andererseits erfordern in manchen Fällen eine dauerhafte Überwachung, um besondere Einwirkungen und gegebenenfalls Schädigungen rechtzeitig und genau zu erkennen. Hierfür ist eine Vielzahl von Methoden und Sensoren verfügbar. Das Portfolio weist aber insbesondere bei der Detektion langsamer, räumlich begrenzter Veränderungen Lücken auf. Hierfür sind bisher sehr aufwändige Untersuchungen oder Installationen notwendig.
In der vorliegenden Arbeit werden Sensoren und zugehörige Auswertemethoden für die Ultraschalltransmission vorgestellt, die sich für die zerstörungsfreie, dauerhafte Überwachung von Beton eignen. Direkt oder nachträglich in Betonkonstruktionen eingebaut, ermöglichen sie eine nicht nur lokale, sondern größere Raumbereiche umfassende Dauerüberwachung von Änderungen der Materialeigenschaften.
Das Prinzip der Ultraschalltransmission und die verschiedenen Einflussparameter werden vorgestellt. Zu letzteren gehören neben der Belastung und Schädigung auch Umweltparameter wie Temperatur und Feuchte. Verschiedene Methoden zur Datenanalyse, wie z. B. die Codawelleninterferometrie, ermöglichen eine Detektion kleinster Veränderungen. Die in den Beton einzubettenden Ultraschallsensoren werden vorgestellt und ihr Einbau und Betrieb beschrieben. Als Beispiele für Anwendungen werden Frost-Tauwechsel-Experimente im Labor, die Detektion von lokalen Lasten im Technikumsmaßstab und der Einsatz an realen Brücken diskutiert. Die Sensoren sind zum Teil bereits seit mehreren Jahren in Probeobjekte eingebettet und liefern zuverlässig wertvolle Daten.

Monitoring of concrete constructions by embedded ultrasonic sensors
Challenging new constructions and the ageing infrastructure are increasing the demand for permanent monitoring of loads and damages. Various methods and sensors are used for this purpose. But the technologies available today have difficulties in detecting slowly progressing locally confined damages. Extensive investigations or instrumentations are required so far for this purpose.
In this study we present new sensors and data processing methods for ultrasonic transmission, which can be used for non-destructive permanent monitoring of concrete. They can be mounted during construction or thereafter. Larger volumes can be monitored by a limited number of sensors for changes of material properties.
The principles of ultrasonic transmission and influencing factors are presented. This latter include load, damages as well as environmental parameters as temperature or moisture. Various methods for data processing, e. g. coda wave interferometry are introduced. They allow the detection of very small changes in the medium. The embedded sensors are shown including mounting and operation. Application examples so far include small scale laboratory freeze-thaw experiments, localizing loads in larger concrete models and monitoring load effects on real structures. Some sensors are operating already for several years.

Der Artikel gibt eine Einführung in das Feld der Architekturbionik und präsentiert zwei Forschungsprojekte der Autorin, BioSkin und Biornametics, sowie die Entwicklung einer Methode des Einsatzes von Bionik als Innovationswerkzeug im Entwurf von Architektur.

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Die von Professor Julius Natterer entwickelten Holzrippenschalen in Brettstapelbauweise bieten vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten für weitgespannte Flächentragwerke. Nach ersten Erfahrungen mit verschraubten Holzrippen Ende der 60er Jahre fand die eigentliche Entwicklung zu einer interessanten Alternative im Hallenbau aber vor allem in den letzten zehn Jahren statt. In dieser Zeit wurden anhand mehrerer ausgeführter Objekte die Berechnungsmethoden verfeinert und die Konstruktion anhand praktischer Erfahrungen weiterentwickelt. Die Konstruktion besteht im wesentlichen aus sich kreuzenden Holzrippen, die aus mehreren miteinander verschraubten Brettlagen zusammengesetzt sind, einer ausgesteiften Schalung und verhältnismäßig steifen Randgliedern. Dadurch entstehen hochgradig statisch unbestimmte Systeme, die aufgrund nachgiebiger Verbindungen große Lastumlagerungsmöglichkeiten haben. Durch die Entwicklung leistungsfähiger Rechenprogramme und komplexer, auf das Tragverhalten der Konstruktion abgestimmter Rechenmodelle kann die Gesamtstruktur an die jeweils vorhandenen Randbedingungen angepaßt, berechnet und optimiert werden. Für die Ausführung der Rippenschalen ist ein Lehrgerüst erforderlich, durch das die Schalenform vorgegeben wird und auf dem die Brettrippen Lage für Lage aufgebaut werden. Da die Bauweise keinen umfangreichen Maschinenpark erfordert, ist sie auch für kleinere und mittlere Zimmereibetriebe interessant.

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Flachdecken werden wirtschaftlich aus vorgefertigten Stahlbetonplatten und einer aufbetonierten Ortbetonschicht hergestellt. Das Tragverhalten dieser Elementdecken mit Gitterträgern ist ähnlich dem von Ortbetondecken. Bei der Bemessung und Konstruktion von Elementdecken sind jedoch einige Besonderheiten zu beachten. Der Eurocode 2 mit zugehörigem nationalem Anhang [1] enthält Regelungen hierzu. Als Durchstanz- und Verbundbewehrung kommen jedoch Bewehrungssysteme zur Anwendung, welche auf der Grundlage von nationalen oder europäischen Zulassungen bemessen werden. Die erforderlichen Nachweise im Durchstanzbereich von Flachdecken werden für unterschiedliche Systeme zusammengestellt und erläutert.

Flat Slabs built as Semi-Precast Slabs with Lattice Girders. Advice to application according to Eurocode 2
Flat slabs are economically made of precast slabs with insitu topping. The load bearing behaviour of these semi-precast slabs with lattice girders is similar to in situ concrete slabs. Eurocode 2 together with the German annex [1] gives advice for that. The used punching shear reinforcement and composite reinforcement have to be designed according to national or European technical approvals. The necessary proofs in case of flat slabs are consolidated and explained.

“Leicht Bauen mit Beton” und “form follows force” sind die Motivation dieses Artikels. Es wird ein Prozess vorgestellt, wie das Entwerfen, Berechnen und Bemessen von sehr leichten und filigranen Freiformschalen aus Betonfertigbauteilen in der Zukunft aussehen könnte. Dafür werden neueste Methoden aus dem Bereich CAD-basierte Verfahren verwendet, welche eine sehr elegante Vereinigung von Design und Analyse ermöglichen. Der vorgestellte Prozess zeigt den Weg von der Entwurfsidee bis zur Bestimmung der optimalen Geometrie und Anordnung der Betonfertigbauteile.

Design and Analysis of Curved Precast Concrete Components Using CAD-based Approaches - to build lightweight structures in the future
“Leicht Bauen mit Beton” and “form follows force” are the motivation for this article. In this contribution a process is presented, which shows how the design and analysis of very light, free-form shells, made of precast concrete components, could be done in the future. Therefore, new techniques from the area of CAD-based methods are used, which allow for a very elegant way of integrating design and analysis. The presented process shows the path from the idea of the design to the determination of the optimal geometry and assembly of the precast concrete components.

Die Europäische Normenreihe EN 1504 für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen steht unmittelbar vor ihrer Fertigstellung. Sie besteht aus 10 Hauptnormen und 62 zugehörigen Europäischen Prüfnormen. Die Hauptnormen EN 1504-2 bis 7 regeln die Produktgruppen Oberflächenschutzsysteme, Mörtel, Klebstoffe für Verstärkungen, Riß- und Hohlraumfüllstoffe, Ankermörtel sowie die Stahlbeschichtungen. Die Prinzipien für den Gebrauch der Produkte sowie die Anwendung der Produkte auf der Baustelle mit zugehöriger Qualitätssicherung sind in den Teilen 9 und 10 enthalten. Ferner ist die Qualitätssicherung der Produkte in Teil 8 geregelt. Somit liegt in Kürze ein umfassendes Normenwerk für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen vor. Derzeit wird beraten, wie dieses Normenwerk in Deutschland eingeführt wird. Aus verschiedenen Gründen wurde beschlossen, daß die Teile für Planung und Anwendung in Deutschland nicht eingeführt werden, weil mit den bestehenden Richtlinien des DAfStb “Schutz und Instandsetzung von Betonbauwerken” sowie der ZTV-ING langjährig bewehrte Regelwerke vorliegen. Um die Europäisch zukünftig mit CE-Zeichen markierten Produkte für Schutz und Instandsetzung von Betonbauwerken verwenden zu können, wurden für den Oberflächenschutz, die Mörtel, Rißfüllstoffe und die Stahlbeschichtungen inzwischen entsprechende Restnormen (DIN V 18026 bis 18028) erarbeitet, während die Kleber und Ankermörtel wie bisher in Zulassungen geregelt werden. In diesem Beitrag wird beschrieben wie zukünftig in Deutschland Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen mit genormten Produkten nach EN 1504 erfolgen soll.

Excavation material from tunnel constructions, which is generally regarded as waste, has to be disposed of properly, but is good input material for producing recycling aggregates or for on-site reclaiming or recycling action. Due to the large mass and potential contaminations from rock formations and/or tunnelling process, reclaiming or recycling has to be monitored. The waste law provides standardized examination methods and parameters, limit values, quality classes and requirements. In the course of the revision of the Austrian landfill ordinance and the Austrian circular economy strategy by the Federal Ministry Republic of Austria Climate action, environment, energy, mobility, innovation anf technology (BMK), adaptions regarding the promotion of circular economy for this material should be developed. This study provides a description of the technical and legal requirements, actual challenges and an outlook to possible changes of the requirements.
Tunnelausbruchmaterial, das in der Regel als Abfall anfällt, muss einerseits ordnungsgemäß entsorgt werden, stellt andererseits aber ein potenzielles Ausgangsmaterial für die Herstellung z.T, hochwertiger Recycling-Baustoffe dar oder kann bereits vor Ort sinnvoll verwertet werden. Aufgrund der großen Masse sowie möglicher, sich teilweise beeinflussender Kontaminationsmöglichkeiten aus dem Tunnelvortrieb bzw. dem Ausgangsgestein muss eine Verwertung kontrolliert erfolgen. Dafür existieren seitens des Abfallrechts Untersuchungsvorgaben, Parameter, Qualitätsklassen und Verwertungsvorgaben. Im Zuge einer Novelle der Deponieverordnung sowie der Kreislaufwirtschaftsstrategie des Bundesministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK) sollen hier Anpassungen dieser Anforderungen in Richtung der Forcierung einer Kreislaufwirtschaft angedacht werden. In dem Beitrag sollen sowohl die bisherigen rechtlichen und fachlichen Anforderungen, aktuelle Herausforderungen aus der Umsetzung sowie ein Ausblick auf eventuelle Änderungen der Rahmenbedingungen dargestellt werden.

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Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen sind im Laufe ihre Nutzungsdauer vielen Millionen von Lastwechseln ausgesetzt. Diese Wechselbeanspruchung kann zu Setzungen und Verdrehungen der Anlage führen, die die Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigen. Das Verhalten von Flachgründungen bei solchen Beanspruchungen wurde bisher allerdings nur wenig erforscht. Daher wurden zahlreiche experimentelle Untersuchungen an einem kleinmaßstäblichen Flachfundament unter horizontaler zyklischer Belastung durchgeführt. Die in diesem Beitrag vorgestellten Modellversuche wurden auf einem trockenen Feinsand durchgeführt. Nach einer kurzen allgemeinen Einführung wird das experimentelle Setup vorgestellt. Es besteht aus einer speziell entworfenen Mess- und Belastungstechnik sowie einer Einrichtung zur Herstellung von Proben mit mitteldichter bis dichter Lagerung. Anschließend werden die Versuchsergebnisse vorgestellt. Untersucht wurden das Setzungs- und Verdrehungsverhalten unter ein- und mehrdimensionaler Beanspruchung und unter mehrstufiger Schwelllastbeanspruchung. Des Weiteren wurde das Verhalten nach einem einzelnen Großereignis, wie es beispielsweise eine sogenannte “freak wave“ darstellt, untersucht. Infolge eines darauf folgenden Zyklenpakets wurde der Abbau der aus dem Großereignis resultierenden Verdrehung beobachtet. Die Einflüsse auf diese Rückdrehung wurden systematisch untersucht, wobei sowohl Lastamplituden, -mittelwerte und -richtungen als auch die Lagerungsdichte des Bodens variiert wurden.

Experimental investigations on the deformations accumulation of a shallow foundation model for offshore wind turbines.
Foundations of offshore wind turbines are exposed to millions of load cycles during their service life. This cyclic loading can lead to settlements and rotations of the structure, affecting its serviceability. The behaviour of shallow foundations under such loading conditions has been rarely investigated so far. Thus, numerous experimental studies were performed on a small scale foundation model under horizontal cyclic loading. The focus of this contribution is on these model tests which were performed on dry fine sand. After a brief general introduction, the experimental setup is presented. It consists of a specially designed measuring and loading device, as well as a facility for the preparation of medium dense to dense samples. Afterwards the experimental results are presented. The settlement and rotation behaviour under single- and multi-dimensional loading as well as under multistage one-way loading was investigated. Furthermore, the behaviour after a single large wave event, like a so-called freak wave, was studied. Due to the subsequent cycle packages a reduction of rotations resulting from the strong event was observed. The influences on this backward rotation were investigated systematically. The effects of different load amplitudes, average loads, load directions and relative densities are discussed.