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Hybrid structures have two major objectives. One is to make concrete structures lighter by combining different technologies. And another is to make structural functions clearer by combining different materials. This report outlines two examples of these objectives. The example of the first objective to make structure lighter is light-weight bridges. We have been building many types of hybrid bridges, for example, the corrugated steel web type, the hybrid truss type and the composite girder type. However, when steel members are used, maintenance is required throughout the lifetime of the structure. To solve these issues, a new type of hybrid bridge has recently been developed - the butterfly web bridge. This new structure combines conventional concrete with high-strength fibre-reinforced concrete. The web consists of precast panels shaped like a butterfly wing. These members are reinforced using only prestressing steel in the tension area and have a thickness of just 15 cm. The remaining concrete members are cast-in-place. As a result, this new type of bridge achieves a weight reduction of 15 to 20 % compared with a conventional concrete box girder construction. The example of the second objective to make structural functions clear is the hybrid stay cable anchorage system in the tower of cable-stayed and extradosed bridges. Basically, the steel absorbs the tensile forces of the horizontal component of the stay cable and the concrete absorbs the compressive forces of the vertical component. The steel box anchorage system developed during the 2000s has evolved to make its cheaper to construct in the 2010s. We have undertaken many experiments in our laboratory to confirm the structural behaviour of these evolving systems. The evolution of stay cable anchorage systems is outlined in this article.

Optimierte Hybridstrukturen im Brückenbau
Hybride Strukturen haben zwei Hauptziele. Zum einen soll die Betonstruktur durch die Kombination verschiedener Technologien leichter werden, zum anderen sollen die strukturellen Funktionen durch die Kombination verschiedener Materialien deutlicher werden. In diesem Bericht werden diese beiden Hauptziele anhand von Beispielen dargestellt. Das erste Beispiel sind Leichtbau-Brücken. Es wurden viele Arten von Hybridbrücken gebaut, z. B. den Typ mit gewelltem Stahlsteg, den Hybrid-Fachwerktyp und den Verbundträgertyp. Wenn jedoch Stahlträger verwendet werden, müssen diese während ihrer Lebensdauer gewartet werden. Um diese Probleme zu lösen, wurde kürzlich eine neue Art der Hybridbrücke entwickelt. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus herkömmlichem Beton und hochfestem faserverstärktem Beton in einem neuen Bauwerk. Das Bauwerk ist eine Butterflystegbrücke (butterfly web bridge). Für den Steg werden vorgefertigte Platten in Form eines Schmetterlingsflügels aus neuen Materialien verwendet. Dieses Element wird nur durch Spannstahl im Zugbereich verstärkt und hat eine Dicke von nur 15 cm. Der Beton der übrigen Teile ist Ortbeton. Dadurch kann das Gewicht dieses neuen Brückentyps um 15 bis 20 % im Vergleich zu konventionellen Betonkastenträgern reduziert werden. Das zweite Beispiel ist das hybride Schrägseilverankerungssystem im Turm von Schrägseil- und Extradosed-Brücken. Grundsätzlich wird die horizontale Komponente, d. h. die Zugkraft, der Schrägseile durch Stahl und die vertikale Komponente, d. h. die Druckkraft, durch Beton aufgenommen. Das System der Stahlkastenverankerung wurde in den 2000er-Jahren weiterentwickelt, um seine Kosten in den 2010er-Jahren zu senken. Um das strukturelle Verhalten dieser weiterentwickelten Systeme zu bestätigen, wurden zahlreiche Versuche in unserem Labor durchgeführt. Die Entwicklung des Schrägseilverankerungssystems wird hier dargestellt.

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Dieser Beitrag beschreibt den Entwurf, die Herstellung und Untersuchung des Bauteilverhaltens einer Tragschicht aus Textilbeton als Alternative für konventionelle Lärmschutzwandelemente aus Stahlbeton. Mit dem Einsatz nichtmetallischer Bewehrungsstrukturen ist eine Reduktion der Betondeckung auf ein für die sichere Übertragung der Verbundkräfte erforderliches Minimum möglich. Der aus diesem Grundsatz abgeleitete und hinsichtlich der Bewehrung und des Herstellungsaufwands optimierte Querschnitt erlaubt eine Verringerung des Betonvolumens um zwei Drittel. Für die Materialwahl werden verschiedene technische Textilien miteinander verglichen und ein speziell für das Vorhaben konfiguriertes Textil als Vorzugsvariante gewählt. Kleinformatige Biegeversuche dienen der Anpassung der Material- und Querschnittseigenschaften, während die Untersuchung der Bauteilbemessung anhand großformatiger Bauteilversuche erfolgt. Das Ergebnis des Projekts sind neuartige, ressourcenschonende Lärmschutzwandelemente, welche sich durch ein deutlich geringeres Bauteilgesamtvolumen und -gewicht auszeichnen und zusätzlich wirtschaftlich herzustellen sind.

Resource-saving noise protection elements made of textile reinforced concrete as an alternative for conventional precast reinforced concrete elements
This article describes the design, production and testing of a textile reinforced concrete bearing layer as an alternative for conventional reinforced concrete noise barrier elements. The use of non-metallic reinforcement structures allows a reduction of the concrete cover to a minimum required for the safe transmission of the bond forces. The resulting cross-section, which is optimized in terms of reinforcement structures and manufacturing costs, enables the concrete volume to be reduced by 2/3. For the material selection, various technical textiles are compared with each other and a textile configured specifically for the project is chosen. Small-format bending tests are used to adjust the material and cross-section properties, while the component design is carried out on the basis of large-format component tests. The result of the project is a new type of noise barrier element, which is characterized by a significantly lower overall component volume and weight and can nevertheless be manufactured economically.

Herrn Professor Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Hans-Wolf Reinhardt zu seinem 80. Geburtstag gewidmet
Mineralisch gebundene Carbonfaserbewehrung ist eine neue Art der Armierung für den Betonbau, die im Vergleich zu bestehenden, kunststoffgebundenen Carbonbewehrungen beträchtliche Vorteile aufweist. Die mineralische Imprägnierung erhöht die Leistungsfähigkeit der Bewehrung bei erhöhten Temperaturen, verbessert ihren Verbund mit der Betonmatrix und steigert deutlich die technologische Flexibilität, insbesondere im Hinblick auf die Digitalisierung und Automatisierung der Bauteilherstellung. Nach der Erläuterung der Technologie zur kontinuierlichen Imprägnierung von Carbongarnen mit speziell entwickelten, feinen mineralischen Bindemittelsuspensionen werden einige Beispiele für die automatisierte Herstellung von Bewehrungssystemen aus diesem neuen Verbundwerkstoff vorgestellt. Diese Fälle umfassen eindimensionale Elemente wie Stäbe und Lamellen, zweidimensionale Bewehrungen in Form von Matten und dreidimensionale Systeme wie Bewehrungskörbe für einen Balkon oder Schalenstrukturen. Schließlich wird kurz auf die Verwendung des neuartigen Komposits für die Bewehrung in hochautomatisierter additiver Fertigung wie Beton-3D-Druck eingegangen.

New Carbon Fiber Reinforcement for Digital, Automated Concrete Construction
Mineral-impregnated carbon fiber (MCF) is a new type of reinforcement for concrete construction, which exhibit significant advantages in comparison to existing polymer-based carbon fiber reinforcements. Mineral impregnation considerably improves the performance of the reinforcement at elevated temperatures, enhances its bond to the concrete matrix, and increases technological flexibility, especially with respect to digitized, automated production of concrete elements. First, the technology for continuous impregnation of carbon yarns with special fine mineral binder suspensions is explained. Then several examples for the automated manufacturing of reinforcement systems made of this new composite material are presented. These examples cover one-dimensional elements such as bars and strips, two-dimensional reinforcements in the form of mats, and three-dimensional cases such as reinforcing cage for a balcony or shell elements. Finally, the use of the novel reinforcement in conjunction with highly automated, additive construction technologies such as 3D-concrete-printing is discussed.

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Die Tragfähigkeit von geschweißten Hohlprofilknoten wird bestimmt durch die Abmessungen der Stäbe, die Stahlgüte und die Knotengeometrie (Winkel, Größenverhältnisse usw.). Da alle diese Faktoren schon in den ersten Entwürfen festgelegt werden, ist damit auch bereits die Tragfähigkeit des Knotens vorgegeben. Sehr häufig wird es dann leider der Stahlbaufirma überlassen, die geschweißten Knoten zu planen und die Belastbarkeit zu überprüfen. Zu diesem Zeitpunkt kann es für eine Änderung der Abmessungen, der Stahlsorte oder der Geometrie aber schon zu spät sein.
Um eine technisch sichere, wirtschaftliche und architektonisch ansprechende Konstruktion zu erhalten, muss sich der Planer schon im frühen Entwurfsstadium Gedanken über die Knotentragfähigkeit sowie über die Herstellung und die Montage der Konstruktion auf der Baustelle machen.
Der Schlüssel zum erfolgreichen Entwurf von Hohlprofilkonstruktionen ist, das Knotenverhalten von Anfang an zu berücksichtigen. Dieser Artikel möchte deshalb einen Überblick über einige einfache und schnelle Methoden zur Überprüfung der Knotentragfähigkeit geben. Wenn diese Regeln angewendet werden, können die Planer spätere zeitraubende, teure und optisch nicht ansprechende Schwierigkeiten vermeiden.

Das Versagen von Silos und Tanks wird häufig durch Druckunterschiede zwischen Außen- und Innendruck verursacht. Obwohl es sich beim Lastfall konstanter Umfangsdruck um einen Basisbeulfall der Kreiszylinderschale handelt, sind selbst hierbei einige Fragen noch nicht geklärt. Vergleicht man die Beulwiderstände, die sich in den technischen Regelwerken nach dem experimentell gestützten spannungsbasierten Beulsicherheitsnachweis ergeben, mit den Versagenslasten, die man bei einem numerisch gestützten Beulsicherheitsnachweis unter Einbeziehung von geometrischen Ersatzimperfektionen ermittelt, ergeben sich Diskrepanzen im Bereich langer Schalen. Im Beitrag werden experimentelle Ergebnisse eines deutsch-polnischen Kooperationsprojektes vorgestellt, das diesen Widersprüchen nachgeht. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass der Beulwiderstand dünnwandiger Schalen unter Umfangsdruck auch von der geometrischen Schalenschlankheit abhängt. Das wird gegenwärtig von den Vorschriften noch nicht erfasst, so dass lange Schalen konservativer als kurze Schalen bemessen werden.

Influence of the length-to-radius ratio on the buckling resistance of cylindrical steel shells subject to hoop compression.
The failure of silos and tanks is often caused by differences between outer and inner pressure. Although the load case hoop compression is a basic buckling case of cylindrical shells, there are still some problems that have to be tackled. For long cylinders, discrepancies arise when comparing the buckling resistances calculated from the experimentally based stress design of current design rules with the resistances derived from numerical buckling strength verifications using equivalent geometric imperfections. In the contribution, the experimental results of a German-Polish research project, concerning that problem, are presented. The evaluation of the results reveals that the buckling resistance of thin-walled cylindrical steel shells subject to hoop compression also depends on the geometrical slenderness. This fact is neglected in current design rules. Therefore, long cylinders are designed more conservatively than short cylinders.

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Lateral impact damage from over-height vehicle collisions with bridge superstructures is of increasing concern in the United States. However this issue is not fully addressed in current bridge specifications. Previous researchers have conducted a number of small-scale tests to study the impact process. Also, the finite element method has largely been used to analyze the complicated collision mechanism. This paper provides an opportunity for full-scale lateral impact testing of a prestressed concrete girder, which leads to a realistic level of damage and mechanism analysis. A full-scale lateral impact testing facility was designed and built on a construction site in Knoxville, Tennessee. The over-height vehicle impact was simulated by impacting the bottom of an AASHTO Type I prestressed concrete girder with an impact cart. This paper describes the details of the impact testing facility as well as the response of the prestressed concrete girder during lateral impact. The collected test data were calibrated by using finite element software ABAQUS.

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Existierende Modelle zur Bewertung der Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauten erlauben es, den durch den Zuverlässigkeitsindex charakterisierten grenzzustandsbezogenen Zustand des Bauwerks während der Nutzungsdauer zu prognostizieren. Ferner kann ein fester (Grenz-)Wert für die Zuverlässigkeit definiert werden, der sich auf eine maximal akzeptable Auftretenswahrscheinlichkeit eines ausgewählten (ungewollten) Ereignisses (Grenzzustand) bezieht. Je schlechter der Zustand, desto höher die zu erwartenden Instandsetzungskosten. Gelingt es, die zu erwartenden Instandsetzungskosten in Abhängigkeit vom Zuverlässigkeitsindex zu beschreiben, könnten so Instandsetzungszeitpunkte kostenoptimal festgelegt werden. Daher wurden Gutachten mit umfangreich dokumentierten Inspektionsergebnissen und zugehörigen Kosten durchgeführter Tiefgarageninstandsetzungen analysiert. Hauptursache für die Instandsetzungen war stets chloridinduzierte Bewehrungskorrosion. Es wurden drei Näherungsmethoden zur Abschätzung der Zuverlässigkeit an Stütz- und Wandfüßen verwendet und miteinander verglichen. Die so bestimmten Bauteilzuverlässigkeiten wurden dann mit den jeweils real angefallenen Instandsetzungskosten in Beziehung gesetzt. Auf Bauwerksebene konnte zunächst kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Zuverlässigkeit und Instandsetzungskosten hergestellt werden. Auf Bauteilebene gelang dies jedoch bei einem Projekt. Dies liefert einen Ausgangspunkt zur kostenoptimierten Festlegung von Instandsetzungszeitpunkten.

Rehabilitation of parking garages - when and why?
Existing models for the evaluation of the durability of reinforced concrete structures allow to prognose the limit state condition of the structure during its service life by means of the reliability index. Furthermore, in the decision-making process, a fixed (limit) value for the reliability can be defined, which refers to a maximum acceptable probability of occurrence of a selected (undesirable) event (limit state). The worse the condition, the higher the expected rehabilitation costs. If it is possible to describe the expected rehabilitation costs as a function of the reliability index, the repair times can be determined in a cost-optimal way. Therefore, expert reports with extensively documented inspection results and associated costs of underground parking garage repairs were analyzed. The main cause of the repairs was in all cases chloride-induced reinforcement corrosion. Three approximation methods were used to estimate the reliability of column and wall bases and compared with each other. At the structure, i.e. object level, it was not possible to establish a clear relationship between reliability and repair costs. However, at the structural component level, this was achieved for a single project. This provides a starting point for cost-optimized determination of repair times.

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Gewalzte Winkel sind typische Profile im Mast-, Turm- und Freileitungsbau. Je nach Länge des Profils können bei Druckbeanspruchung Versagensmodi von Drill- bzw. Biegedrillknicken, reinem Knicken und Interaktion mit lokalem Stabilitätsversagen auftreten. Die derzeitigen Normenwerke DIN EN 1993-1 (Stahlbau), DIN EN 1993-3 (Türme und Maste) sowie DIN EN 50341-1 und DIN EN 50341-3-4 (beide Freileitungsbau) regeln die Stabilitätsnachweise zum Teil unterschiedlich. Im vorliegenden Beitrag werden die wesentlichen Unterschiede herausgearbeitet und sowohl mit Versuchsergebnissen aus der Literatur als auch mit Finite-Elemente-Rechnungen, hier insbesondere hinsichtlich der Imperfektionsempfindlichkeit, verglichen.

Buckling resistance of L-profiles in towers, masts and open line constructions.
Rolled L-profiles are typical cross sections in towers, masts and open line constructions. Depending on the length, the dominant failure mode can change from lateral torsional to global and to local buckling. Current standards such as DIN EN 1993-1 (steel structures), DIN EN 1993-3 (towers and masts) and DIN EN 50341-1 and -3-4 (both open line constructions) are using different approaches to design against stability failure. In the study presented here, the main differences between the standards are shown. The results are furthermore compared with experimental results and finite element calculations, particularly with respect to imperfection sensitivity.

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