The planned Brescia-Verona high-speed/high-capacity railway line is a key project of the Milan-Verona railway link. Between Brescia and Verona, the new line is about 48 km long, running mostly alongside the A4 highway. Near Lonato (south of Garda Lake), the line goes under A4 and other buildings and structures, through twin tunnels bored by the tunnel boring machine (TBM). The soil consolidation project is deemed necessary to protect the road from subsidence before the TBM is deployed. On site, the soil is extremely heterogeneous but always characterized by a silty sand matrix. The poor capacity of the soil to be permeated led to reshaping the borehole mesh and selecting both cementitious and silicate-based grout mixes designed to obtain rheological features leading to better permeation capability. The operation to prevent subsidence involved injecting some 10,000 m3 of grout mixture, through about 90, 000 m of sleeved pipes, in multi-directional geometries.

The Semmering Base Tunnel (SBT), which has a total length of 27.3 km, is one of the most important construction projects in the Baltic-Adriatic railway corridor. The base tunnel crosses the foothills of the Eastern Alps and connects the two federal states of Lower Austria and Styria. Due to the complex rock conditions, extensive and novel grouting systems are used. The primary target of the grouting is to reduce the permeability of the rocks and reduce the water entry (peak water ingress in the tunnelling area up to 300 l/s), as well as to improve the rock mass strength in some parts.
Based on the grouting design, specific drilling and grouting procedures with various grouting materials were developed for sealing and tempering the water-bearing areas of Grassberg and Otterstock. Innovations include the development of a standpipe packer and a cased grouting-pipe system with grouting valves to prevent erosion along the drilling line for use in unstable borehole conditions. The combined cement/polyurethane suspension (hybrid grout) allows an extended economical use of cement suspensions.
Der Semmering-Basistunnel (SBT) mit einer Gesamtlänge von 27,3 km ist eines der wichtigsten Bauprojekte des Baltisch-Adriatischen Eisenbahnkorridors. Der Basistunnel durchörtert die Ausläufer der Ostalpen und verbindet die beiden Bundesländer Niederösterreich und Steiermark. Aufgrund der komplexen Randbedingungen kommen umfangreiche und neuartige Injektionen zum Einsatz. Das primäre Injektionsziel ist eine Verringerung der Gebirgsdurchlässigkeit und Reduktion der Wasserzutritte (Spitzenwasserzutritte im Vortriebsbereich bis zu 300 l/s), sowie abschnittsweise eine Gebirgsverbesserung. Basierend auf der Injektionsplanung wurden spezifische Bohr- und Injektionsverfahren mit diversen Injektionsmaterialien für die Abdichtung und Vergütung der stark wasserführenden Gebirgsbereiche des Grassbergs und Otterstocks entwickelt. Die Innovationen umfassen u. a. die Entwicklung eines Standrohrpackers und ein verrohrtes Bohrsystem mit Injektionsventilen zur Verhinderung von Erosion entlang des Bohrstrangs für den Einsatz bei instabilen Bohrlochverhältnissen. Die kombinierte Zement/Polyurethan-Suspension (Hybridmörtel) erlaubt einen erweiterten ökonomischen Einsatz von Zementsuspensionen.

The soil is a heterogeneous three-phase system with varying mechanical properties. It is usually abstracted to a subsurface model with homogeneous layers. The basic data for this model are individual probings/boreholes. Assumptions are made to describe the structure of the unsampled areas and the general scatter of the soil properties within the layers is not taken into account. This results in an approximation of the real conditions, which leads to uncertainties. In order to compensate this, the soil variability can be covered by a number of different parameter combinations. In the field of geotechnical engineering, this approach is called the Random Finite Element Method (RFEM).
In terms of a master thesis, the technical implementation of such method has been investigated. It was used for the stability analysis of a theoretical slope and the results were compared with the Limit Equilibrium Method (LEM) and the Strength Reduction Finite Element Method (SRFEM). The last one was also used to identify the relevant failure criteria for the finite element. By using different meshes of the same slope, their effect on the safety factor was observed.
Der Boden ist ein heterogenes Dreiphasensystem mit variierenden mechanischen Eigenschaften und wird meistens zu einem Baugrundmodell mit homogenen Schichten abstrahiert. Die Grundlagen sind dabei punktuelle Sondierungen/Bohrungen. Zur Beschreibung des Aufbaus der nicht untersuchten Zwischenbereiche werden Annahmen getroffen und die allgemeine Streuung der Bodenkennwerte wird in den Schichten nicht berücksichtigt, was zu Unsicherheiten führt. Um die natürliche Variabilität des Bodens direkt in die Bemessungen einbeziehen zu können, werden einzelne oder mehrere Schichten mit unterschiedlichen Parameterkombinationen abgebildet. Bei einer ausreichenden Anzahl wird statistisch davon ausgegangen, dass alle möglichen Verteilungen der Kennwerte betrachtet worden sind. Mit einer Monte Carlo Simulation kann anschließend die Versagenswahrscheinlichkeit der Böschungssituation ermittelt werden. Dieses Vorgehen wird im Bereich der Geotechnik als Random Finite Elemente Methode (RFEM) bezeichnet.
Im Zuge einer Masterarbeit wurde die technische Umsetzung des Verfahrens untersucht. Dieses wurde für die Stabilitätsberechnung einer theoretischen Modellböschung herangezogen und mit den Ergebnissen des Lamellenverfahrens und der Strength Reduction Finite Elemente Methode (SRFEM) verglichen. Letztere diente auch zur Identifizierung der maßgebenden Abbruchkriterien für die FE-Analysen.

Calculation approaches, shear strength approaches, material parameters and external influences have a significant impact on the results of slope stability analyses. This influence can be quantified as influence on the safety factor in sensitivity analyses. As expected, a lower shear strength of the soil or a higher groundwater flow through a slope lead to lower factors of safety. In the two case studies considered here, it is evident that the parameter with the highest sensitivity of the safety factor is not unique. This most influencing parameter depends on the boundary conditions and the geometry of the landslide. In addition to the safety factor, the above parameters also strongly influence the geometry of the failure mechanism. Here, for example, different permeability coefficients for stratified soil and the consideration of a nonlinear shear strength criterium show significant changes in the failure geometry. Therefore, the modelled failure geometry has to be considered in addition to an certain safety factor for the validation of a landslide modelling.
Berechnungsansätze, Scherfestigkeitsansätze, Materialparameter und äußere Einwirkungen haben einen deutlichen Einfluss auf die Ergebnisse von Standsicherheitsuntersuchungen. Dies kann als Einfluss auf den Sicherheitsfaktor in Sensitivitätsanalysen quantifiziert werden. Erwartungsgemäß führen eine geringere Scherfestigkeit des Bodens oder eine stärkere Durchströmung eines Hangs zu geringeren Sicherheitsfaktoren, aber auch die anderen oben genannten Einflüsse spielen eine Rolle. Bei beiden hier betrachten Fallbeispielen zeigt sich, dass die Sensitivität des Sicherheitsfaktors auf einen Parameter nicht immer für denselben Parameter am höchsten ist. Dieser damit maßgebendste Parameter hängt von den Randbedingungen und der Geometrie der Rutschung ab. Neben dem Sicherheitsfaktor beeinflussen die oben genannten Parameter auch stark die Geometrie des Versagensmechanismus. So zeigen hier vor allem unterschiedliche Durchlässigkeitsbeiwerte bei geschichtetem Boden und die Berücksichtigung einer nichtlinearen Scherfestigkeit deutliche Änderungen in der Versagensgeometrie. Für eine Validierung einer Modellierung einer Hangrutschung ist daher neben einem entsprechenden Sicherheitsfaktor auch die modellierte Bruchkörpergeometrie heranzuziehen.

As part of the i2MON research project, an integrated monitoring service was developed for the identification and evaluation of soil and slope movements in the context of coal mining. The focus was on the correct integration (to give reliability, accuracy and integrity) of a long-range laser scanner into a web-based monitoring system from an engineering geodetic point of view. A web-based application of terrestrial laser scanners has been developed by cooperation between DMT GmbH & Co. KG and RIEGL Laser Measurement Systems GmbH.
The system allows a high temporal and spatial resolution for measured value acquisition by means of permanent installation in the vicinity of a monitored object. This article shows how the laser scanner can be remotely controlled within a web-based monitoring platform. In addition, the integration of various sensors (including total station, GNSS, geotechnical sensors) within a project into a uniform monitoring platform based on a web interface and the corresponding data analysis (including the automatic detection of geomorphological processes) will be described.
Im Rahmen des Forschungsprojekts i2MON wurde ein integrierter Monitoring-Dienst zur Identifikation und Bewertung von Boden- und Hangbewegungen im Zusammenhang mit dem Steinkohlenabbau entwickelt. Der Fokus lag dabei auf der aus ingenieurgeodätischer Sicht korrekten Integration (Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Integrität) eines Long Range Laserscanners in ein webbasiertes Monitoringsystem. In Zusammenarbeit zwischen der DMT GmbH & Co. KG und RIEGL Laser Measurement Systems GmbH ist eine webbasierte Anwendung terrestrischer Laser-Scanner entstanden. Das System erlaubt mittels permanenter Installation im nahen Umfeld eines Überwachungsobjekts eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung bei der Messwerterfassung. In diesem Beitrag wird dargestellt, wie der Laserscanner innerhalb einer webbasierten Monitoring-Plattform ferngesteuert werden kann. Darüber hinaus wird die Integration verschiedenster Sensorik (u. a. Totalstation, GNSS, geotechnische Sensorik) innerhalb eines Projekts in eine einheitliche, auf einem Web-Interface basierende Überwachungsplattform und die entsprechende Datenanalyse (u. a. die automatische Erkennung geomorphologischer Prozesse) gezeigt.

Slow moving landslides are a common phenomenon in the Alps. Often built-up areas, infrastructure such as motorways, water storage or stream control structures are affected by such landslides. In this paper two case studies are discussed to present a decision-making system for the evaluation and handling of such slow-moving landslides.
Langsam ablaufende Großmassenbewegungen sind ein in den Alpen häufig anzutreffendes Phänomen. Häufig beeinflussen derartige Großmassenbewegungen Siedlungsräume, Infrastrukturanlagen wie Verkehrswege oder Wasserspeicher, aber auch Wildbäche und die damit verbundenen Verbauungen. Im gegenständlichen Beitrag wird anhand zwei kurz vorgestellter Fallbeispiele ein System zur Entscheidungshilfe in der Bewertung und dem Umgang mit langsam ablaufenden Großmassenbewegungen aus geotechnischer Sicht vorgestellt.

The rockslide systems along the Gepatsch reservoir in the Kaunertal valley are among the best investigated and monitored slopes in the Alps since TIWAG began operating the Kaunertal power plant in 1964. The rockslide systems consist of several individual slabs with variable activity. Only the deformation characteristics of the Hochmais slab shows transient behaviour and depends on external influences such as reservoir operation. No effects from heavy precipitation or snowmelt on the deformation characteristics were observed prior to 2019. The large amount of precipitation accumulated as snow in the winter of 2018/2019, combined with cool spring weather and low reservoir level, resulted in an increased deformation rate of the Hochmais slab due to excessive snowmelt in June 2019. The maximum deformation rate of several mm per week was the highest activity of the Hochmais slab since the end of the first impoundment period in 1966. In response to this exceptional situation, the engineers at TIWAG, in conjunction with external experts and the competent authorities, temporarily restricted the reservoir operation. The increased rates of deformation of the Hochmais slab decreased to the expected level in the late summer of 2019
Die Einhänge des Speichers Gepatsch im hinteren Kaunertal zählen seit Inbetriebnahme des Kraftwerks Kaunertal im Jahr 1964 zu den am besten untersuchten und überwachten Hängen in den Alpen. Von den bekannten Massenbewegungssystemen zeigt nur die Hochmaisscholle in ihrer Deformationscharakteristik eine Abhängigkeit von der Speicherbewirtschaftung. Bis zum Jahr 2019 wurde keine eindeutige Auswirkung aus Starkniederschlägen oder Schneeschmelze auf das Verformungsverhalten der Massenbewegungen nachgewiesen. Große akkumulierte Niederschlagsmengen im Winter 2018/2019 und die durch das kühle Frühjahr erst im Juni einsetzende exzessive Schneeschmelze generierten für die Hochmaisscholle eine Kombination aus tiefem Speicherstand und großem Grundwasserdargebot, was zu einer Zunahme der Bewegungsraten von mehreren Millimetern pro Woche führte; Bewegungsraten, die seit Ende der Ersteinstauphase nicht mehr gemessen wurden. Als Reaktion darauf wurde durch die Verantwortlichen der TIWAG, unter Einbeziehung einer Expertengruppe und in Abstimmung mit den zuständigen Behörden, die Speicherbewirtschaftung vorübergehend eingeschränkt. Die erhöhten Bewegungsraten der Hochmaisscholle nahmen nach Rückgang des Grundwasserdargebots und konstantem Speicherstand in den Spätsommermonaten wieder auf das zu erwartende Maß ab.

During the construction of the S31 Burgenland expressway in the 1980s, a deep-seated landslide was activated in the Sieggraben area (Central Burgenland, Austria) on the E8 cutting slope over a length of about 200 m. At that time, the high movement rate of the landslide could only be controlled by flattening the slope significantly. At the beginning of the 2000s, additional stabilising piles (dowels) were installed in combination with a deep groundwater drainage system. Although the landslide was stabilised by these measures, discrete zones of weakness, i.e. shear zones, remained in the subsoil due to the original slope movement. For widening the expressway in 2018 to 2021, the toe of the E8 embankment had to be set back by up to about 6 m. Due to this change in the existing stress condition, it was feared that the pre-existing shear zones would be reactivated. In order to maintain the safety level, structural reinforcement measures as well as a monitoring concept based on the Observational Method were needed during the construction phase.
Im Zuge der Errichtung der S31 Burgenland Schnellstraße in den 1980er-Jahren wurde im Bereich Sieggraben (Mittelburgenland) an der Einschnittsböschung E8, über eine Länge von rd. 200 m eine tiefgründige Massenbewegung aktiviert. Die hohe Bewegungsgeschwindigkeit der Rutschung konnte damals nur durch eine maßgebliche Hangabflachung beherrscht werden. Anfang der 2000er-Jahre wurde zusätzlich eine Hangverdübelung in Verbindung mit einer tiefliegenden Drainage ausgeführt. Obwohl durch diese Maßnahmen eine Stabilisierung der Rutschung erreicht wurde, lagen mit den ursprünglichen Bewegungsbahnen diskrete Schwächezonen im Untergrund vor. Für den Sicherheitsausbau der S31 in den Jahren 2018 bis 2021 musste der Böschungsfuß bei E8 um bis zu rd. 6 m Breite zurückgesetzt werden. Durch diese Veränderung des bestehenden Spannungszustands war zu befürchten, dass die bereits vorhandenen Gleitzonen reaktiviert werden könnten. Zur Aufrechterhaltung des Sicherheitsniveaus wurden daher bauliche Sicherungsmaßnahmen erforderlich sowie ein Monitoringkonzept zur Anwendung der Beobachtungsmethode während der Bauphase.

Geological models are commonly used to predict the position of relevant geological features, such as rock types or faults in the subsurface. These models can contain significant uncertainties, as the geological input parameters are often not perfectly known. Predictions of geological features, for example, on the level of a tunnel during an excavation process, are therefore uncertain. This work shows how these uncertainties can be estimated using probabilistic concepts. Furthermore, an approach is presented to automatically adjust the geological model predictions using measurements of the tunnel boring machine (TBM) operation. To this aim, the geological forward model is combined with a measurement model and both are integrated in a probabilistic machine learning framework. This integration enables a Bayesian inference process using computational methods, enabling an update of the parameters of the geological and measurement models. Based on the inferred parameter distributions, the model predictions on the tunnel level are subsequently updated. The application of the concept in a simple schematic application shows that such a combination can accurately and precisely predict features ahead of the operation within the limits of the model capabilities. In future work, the methods need to be tested with a real case study to evaluate the accuracy of predictions using real-world TBM data and more complex geological models. The framework presented here could directly be extended to this purpose.

Various methods have been developed in recent decades to predict hazards associated with karst voids in underground construction. Common to all these methods is that the predicted range of water inflow is often insufficient for the purpose of implementing the planned construction works. This is usually due to an incomplete knowledge of the karst conduit system within a project area, making it difficult to predict the position and characteristics of karst voids. The method presented in this paper permits a robust prediction of karst water inflow. It is based on a combination of stochastically generated, pseudo-genetic karst conduit systems and hydraulic modelling of the hydrogeological conditions using a Monte Carlo approach. This approach facilitates a plausible estimation of the expected range of karst-induced water inflows and also enables the probability of encountering a karst voids. to be determined. The predictions allow for differentiated treatment of the hazards associated with karst water during the construction and operation phase of underground structures. In concrete terms, this relates to the planning and implementation of exploratory measures and ground-improvement measures, the design of the dewatering system and its monitoring during the construction and operation phase.
In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene Methoden zur Prognose von Karstgefährdungen für den Untertagebau entwickelt. Diesen Methoden ist gemein, dass die prognostizierte Bandbreite von Wasserzutritten für die planerische Umsetzung des Bauwerks häufig ungenügend ist. Das liegt unter anderem an den oft lückenhaften Kenntnissen über das in einem Projektgebiet vorkommende Karströhrensystem resp. der unzureichenden Vorhersagbarkeit der Lage von Karsthohlräumen und ihren Eigenschaften. Die vorgestellte Methode erlaubt eine robuste Prognose von Karstwasserzuritten. Die Methode basiert auf einer Kombination aus stochastisch generierten, pseudogenetischen Karströhrensystemen und einer hydraulischen Modellierung der hydrogeologischen Bedingungen unter Verwendung eines Monte-Carlo Ansatzes. Der Ansatz erlaubt eine plausible Abschätzung der zu erwartenden Bandbreite karstbedingter Wassereintritte und ermöglicht darüber hinaus, die Ereigniswahrscheinlichkeit des Anfahrens eines Karsthohlraums zu bestimmen. Die Prognosen ermöglichen einen differenzierten Umgang mit der Karstwassergefährdung während Bau- und Betriebsphase eines Untertagebauwerks. Konkret betrifft dies die Planung und Durchführung von Erkundungsmaßnahmen, Maßnahmen zur Baugrundverbesserung sowie die Planung der Wasserhaltung und des Monitorings während der Bau- und Betriebsphase.

Research has demonstrated that machine learning algorithms (MLAs) are a powerful addition to the rock engineering toolbox, and yet they remain a largely untapped resource in engineering practice. The reluctance to adopt MLAs as part of standard practice is often attributed to the 'opaque' nature of the algorithms, the complexity in developing them, and the difficulty in determining how the algorithms use the datasets. This article presents tools and processes for developing MLAs, input selection, and data balancing for practical underground rock engineering. MLAs for classification and regression - two main machine learning applications - are presented in terms of developing MLA to extract information from the dataset to obtain the desired output. Engineering verification metrics are selected based on their suitability for specific output. Methods for input selection and data balancing are discussed with a focus on selecting appropriate input data for the problem without introducing bias or excess complexity. Each tool and process for algorithm development, data preparation, and input selection is illustrated with a case study. This article demonstrates that geotechnical practitioners can extract additional value by applying MLAs to rock engineering problems. Once an understanding of the functions of MLAs is reached, the building blocks and open-source code are available to be adapted to suit the rock mass behaviour of interest.

Praktische Empfehlungen für maschinelles Lernen im Untertagebau - Entwicklung von Algorithmen, Datenausgleich und Auswahl von Eingangsvariablen
Aktuelle Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass Algorithmen des maschinellen Lernens (MLAs) eine vielversprechende Ergänzung des Werkzeugkoffers der Felsmechanik darstellen, jedoch in der Anwendung immer noch zu den weitgehend ungenutzten Ressourcen zählen. Die Zurückhaltung bei der standardmäßigen Verwendung von MLAs wird häufig auf die “undurchsichtige” Natur der Algorithmen und die Komplexität in ihrer Entwicklung zurückgeführt. In diesem Beitrag werden Werkzeuge und Verfahren für die Entwicklung von MLAs, die Auswahl von Eingabedaten und den Datenabgleich für die praktische Anwendung im Untertagebau vorgestellt. MLAs für Klassifizierungs- und Regressionsaufgaben - zwei Hauptanwendungen des maschinellen Lernens - werden im Hinblick auf die Extraktion von Informationen aus Datensätzen vorgestellt. In weiterer Folge werden Metriken als Interpretationshilfe für die Performance der MLAs auf der Grundlage ihrer Eignung für eine bestimmte Aufgaben vorgestellt. Es werden einfache Methoden für die Auswahl von Inputparametern und den Datenabgleich erörtert, mit Schwerpunkt auf der Auswahl geeigneter Inputparameter für definierte Fragestellungen. Die notwendigen Werkzeuge und Prozesse für die Algorithmenentwicklung, die Datenaufbereitung und die Auswahl der Inputparameter werden anhand von Fallstudien erläutert. Dieser Beitrag soll demonstrieren, dass ein Geotechniker kein Datenexperte sein muss, um MLAs auf praktische Probleme im Untertagebau anzuwenden. Sobald ein Verständnis für die Funktionen der MLAs erreicht ist, können die einzelnen Bausteine und der Open-Source-Code an beliebige Problemstellungen angepasst werden.

This article presents a new approach of quality control to vibro ground improvement techniques based on hybrid machine learning (ML), i.e., a combination of classical analysis and ML techniques. The process is monitored with an instrumented rig equipped with multiple sensors. Key performance indicators (KPIs) are used to identify anomalous foundation columns. As the foundation columns are sub-surface, there is no direct access to ground truth; consequently, unsupervised ML is applied to the recorded time-series data. The risk of not detecting defective elements is reduced by the combination of two independent methods for anomaly detection, KPI- and ML-based classification. The ML is used to gain a deeper process understanding and to detect anomalies which were not considered in the design phase of the KPI. New pre-processing techniques were derived from the insights gained from the ML classifier; this led to a more robust classifier. It is shown how unsupervised ML, using a multi-channel variational autoencoder (VAE) with long short-term memory (LSTM) layers, can be utilized in a knowledge discovery process (KDP).
Qualitätsüberwachung bei der Bodenverbesserung mittels Tiefenrüttelverfahren - Ein Ansatz des hybriden maschinellen Lernens
In diesem Fachbeitrag wird ein neuer Ansatz für die Qualitätskontrolle der Tiefenrüttelverfahren mittels hybriden maschinellen Lernens vorgestellt. Als hybrides maschinelles Lernen wird die Kombination von klassischen analytischen Methoden mit Methoden des maschinellen Lernens beschrieben. Die Prozessüberwachung wird basierend auf einer instrumentierten Rütteltragraupe durchgeführt. Durch Berechnung von Leistungskennzahlen werden Elemente mit abweichenden Qualitätsmerkmalen identifiziert. Unüberwachtes maschinelles Lernen wird auf die aufgenommenen Zeitreihen angewandt, da keine Grundwahrheit für jedes Element ermittelt werden kann. Durch die Kombination zweier unabhängiger Methoden, maschinelles Lernen und Klassifizierung mittels Leistungskennzahlen, wird das Risiko ein fehlerhaftes Element nicht zu erkennen, minimiert. Durch die Klassifizierung basierend auf maschinellem Lernen wird ein tieferes Prozessverständnis erlangt und es werden dadurch Anomalien erkannt, welche bei der Definition von Leistungskennzahlen nicht mit einbezogen wurden. Dadurch konnten neue Datenvorverarbeitungsmethoden abgeleitet werden, welche zu einer robusteren Klassifizierung führen. Es wird gezeigt wie unüberwachtes maschinelles Lernen mittels eines “Variational Autoencoders” mit mehreren Kanälen und “Long-Short-Term Memory” Layern in einem Wissensentdeckungsprozess verwendet werden kann.

In tunnel boring machine (TBM) excavation, cutter maintenance is necessary, but the time for it has to be minimized for efficiency. Although there is extensive literature on TBM cutter wear and predictive maintenance for different industrial applications, there is no optimized policy for cutter changes in TBM tunnelling today. This study aims to investigate the application of reinforcement learning (RL) - a branch of machine learning - for finding optimized policies for cutter changing that maximize the number of working cutters and minimize the maintenance effort. A simulation of a TBM excavation process is developed that focuses on the cutter wear and an agent that controls when cutters must be changed. The simulation uses generated parameters that indicate the cutter life, but the results could be transferred to real sensor data in future excavations once that level of development is reached. The article presents the first results from this RL scenario which can give valuable insights into TBM excavation logistics and presents a challenging multiaction-selection RL problem.

Where debris flows can impinge on the built environment, early detection of flow events is necessary in order to issue warnings and initiate countermeasures like road or train track closure. In this contribution, previously published work at Illgraben, Switzerland, is compiled, which shows how seismic measurements can be used for debris flow monitoring and warning. The advantage of the seismic approach is that debris flow signals can be detected at large distances eliminating the need for installations within or close to torrents, which are usually difficult to access. It is shown that seismic data contain important information about debris flows, including initiation, propagation, and particle sizes. However, machine learning algorithms, which are tuned with example data rather than physical principles, so far offer the best performance for debris flow detection with continuous real-time data. Such algorithms pave the way for a new class of warning systems, based on data science techniques rather than in-torrent instrumentation.

Murgänge am Illgraben, Schweiz - Von seismischem Schütteln zum maschinellen Lernen
Schnelle Detektion von Murgängen ist nötig um Warnungen auszugeben und Maßnahmen wie Strassen- oder Gleissperrungen zu ergreifen. In diesem Beitrag präsentieren wir einen Überblick über veröffentlichte Studien am Illgraben, Schweiz, und zeigen wie seismische Messungen für Murgangüberwachung und -warnung verwendet werden können. Der Vorteil des seismischen Ansatzes ist, dass Murgangsignale über weite Distanzen detektiert werden können und Messinstrumente innerhalb oder in der Nähe der meist schwer zugänglichen Gerinne nicht nötig sind. Wir zeigen, dass seismische Daten wichtige Informationen über Murgänge beinhalten, wie z. B. das Fließen der Murgangfront oder Korngrössen. Trotzdem bieten Algorithmen des Maschinellen Lernens, welche mit Beispielsignalen statt mit physikalischen Prinzipien geeicht werden, die besten Ergebnisse für die Erkennung von Murgängen in kontinuierlichen seismischen Signalen. Solche Algorithmen bereiten den Weg für neue Ansätze zur Murgangwarnung, die auf Prinzipien der Datenwissenschaften beruhen statt auf Instrumentierung innerhalb von Gerinnen.

DSI support equipment for new railway tunnel Pekel in Slovenia - DSI Stützmittel für den Bau des Eisenbahntunnels Pekel in Slowenien

Keine Kurzfassung verfügbar.

Keine Kurzfassung verfügbar.

Zum Titelbild:
Blick auf die beiden Hinterrheinbrücken der Rhätischen Bahn in Reichenau. Die neue, 200 m lange Zweite Hinterrheinbrücke liegt unmittelbar neben der historischen Stahlfachwerk-Brücke von 1896 und ergänzt diese, ohne mit ihr zu konkurrieren. Das Gewinnerprojekt aus einem internationalen Wettbewerb wurde 2018 in Betrieb genommen (Quelle: Roman Sidler/WaltGalmarini AG, Beitrag: Ludin).

Keine Kurzfassung verfügbar.

Prix Acier 2021, Anerkennung
Die Fußgänger- und Fahrradbrücke über die Broye (Schweiz) bindet das neue Wohnviertel Rives de la Broye an die in der Nähe gelegene Stadt Payerne an. Der Überbau der 36 m langen Trogbrücke besteht aus 26 t wetterfestem Stahl. Die Ausführung als Stahltrog stellt sicher, dass sich der Brückenüberbau oberhalb des Hochwasserpegels befindet. Die Stege und die Oberflansche des Trogs haben dabei nicht nur eine statische Funktion, sondern sind gleichzeitig die Geländer bzw. Handläufe der Brücke. Die Stege sind von einem Lochmuster durchzogen, welches am Computer generiert und mittels einer CNC-Lasermaschine ausgeschnitten wurde. Die Lochverteilung wurde in Abhängigkeit von den Kraftverläufen in den Stegen gewählt. Das verbleibende Material folgt den Spannungstrajektorien in den Stegen. Die jeweilige Lochgröße richtet sich dabei nach der lokalen Beanspruchung der Stege. Das Muster lässt die Brücke nicht nur transparenter und optisch leichter erscheinen, sondern trägt auch zur Gewichtsreduktion und Materialersparnis bei. Der Überbau der Brücke wurde vollständig im Werk vorfabriziert und anschließend innerhalb weniger Stunden mithilfe eines Autokrans auf die Widerlager gesetzt. An den Widerlagern wird jeweils durch ein Druck- und ein Zugauflager eine Einspannwirkung erzeugt, welche sich positiv auf die Durchbiegung in Feldmitte und die dynamischen Eigenschaften des Überbaus auswirkt. Die Lager sind in Lagerebene verschieblich, um Temperaturunterschiede auszugleichen.

Trough bridge over the river Broye - a pedestrian and cycling bridge made of weathering steel with laser-cut webs
The pedestrian and cycling bridge over the river Broye (Switzerland) connects the new residential area Rives de la Broye to the nearby town Payerne. The superstructure of the 36 m span trough bridge is made of 26 t of weathering steel. Due to the trough cross-section, the full superstructure is above flood level. Webs and upper flanges do not only have structural purpose but also function as railings and handrails. The webs have a perforated pattern, which was generated computer-aided and CNC-laser cut. The pattern was chosen according to the stress distribution in the webs. The remaining material follows the stress trajectories and the seizes of the perforations depend on the local stresses. The pattern does not only make the superstructure look more transparent and lighter, but also reduces the total weight and saves material. The bridge superstructure was completely prefabricated and installed within hours using a mobile crane. At the abutments a restraining effect is achieved by a combination of a tension and a compression bearing, which positively affect the maximum deflection in mid-span and the dynamic bahaviour. The bearings can move at bearing level to allow for temperature differences.

Prix Acier 2021, Anerkennung
Die Zweite Hinterrheinbrücke ist eine preisgekrönte neue, 200 m lange, eingleisige Eisenbahnbrücke über den Rhein und die Autobahn A 13 in einem malerischen Tal in den Schweizer Alpen. Die vierfeldrige Brücke liegt unmittelbar neben einer historischen Stahlfachwerk-Eisenbahnbrücke von 1896. Als Zubringer dieses historischen Bauwerks überspannt eine neue, 50 m lange Brücke die Autobahn A 13. Die beiden Brücken wurden an einem sowohl aus Sicht der Verkehrsinfrastruktur als auch der Landschaft und des Kulturerbes äußerst bedeutenden und sensiblen Standort sorgfältig geplant. Die Träger haben einen identischen Trogquerschnitt mit zwei seitlichen trapezförmigen Stahlkästen und einer halb versenkten, quer ausgesteiften Fahrbahnplatte. Die Träger wurden in der Werkstatt in Segmenten hergestellt und auf der Baustelle zu bis zu 50 m langen Einhubsegmenten zusammengesetzt. Das letzte Segment wurde auf den bereits erbauten Teil der Brücke gehoben und über die Autobahn geschoben. Auf der fertigen Brücke wurden vor der Inbetriebnahme mit zwei Lokomotiven Belastungstests durchgeführt. Der Entwurf Sora Giuvna war der Gewinner eines internationalen Wettbewerbs im Jahre 2015.

Design and construction of the second Hinterrhein bridge Reichenau
The second Hinterrhein bridge is an award-winning new 200 m long single-track railway bridge spanning over the river Rhine and the Highway A 13 in a picturesque valley in the Swiss Alps. It has four spans and is located adjacent to a magnificent historic steel truss railway bridge built in 1896. In the continuation of this heritage structure, a matching new 50 m long bridge is spanning over the highway. The two bridges were carefully designed into a highly significant and sensitive location both from a transport infrastructure, landscape and heritage point of view. The girders have identical U-shaped cross sections formed by trapezoidal steel boxes on each side, with the tracks supported on ballast on top of a steel plate stiffened by shallow transverse crossbeams. The girders were fabricated in segments in the workshop and assembled on site into lifting segments up to 50 m long that were installed by crawler crane. The last segment was lifted onto the new bridge and launched over the highway. On the completed bridge, load tests with two locomotives were carried out before taking the bridge into service. The design Sora Giuvna was the winner of an international competition held in 2015.

In der Schweiz gab es bisher keine Bemessungsgrundlage basierend auf einer nationalen Norm für Glas, weshalb zumeist unterschiedliche, ältere und neuere, ausländische Regelwerke angewendet wurden. Dies führte in der Vergangenheit immer wieder zu Problemen, auch da das Normenverständnis in der Schweiz anders geprägt ist als z. B. in Deutschland. Im August 2021 wurde das SIA-Merkblatt 2057 Glasbau veröffentlicht, welches diese Lücke schließt und einheitliche Grundlagen für die Schweizer Baubranche schafft. Unter der Berücksichtigung neuester Erkenntnisse aus Wirtschaft und Wissenschaft wird ein breites Anwendungsspektrum von Glasanwendungen und Bauteilen behandelt. Das Merkblatt 2057 folgt den bewährten SIA-Grundsätzen, nur dort zu reglementieren, wo es notwendig ist, um auch Innovationen zuzulassen. Neben einfachen Methoden steht es Ingenieuren und Ingenieurinnen frei, alternative und innovative Wege zu beschreiten. Der vorliegende Beitrag stellt das Merkblatt 2057 in seinen Grundzügen und im Kontrast zu vergleichbaren Regelwerken vor.

SIA 2057 - glass construction in Switzerland
Until recently, designing and constructing with glass in Switzerland was not performed on a uniformly regulated basis due to the lack of a national standard for glass. Therefore, foreign regulations and codes were typically applied. However, this practice repeatedly caused problems, partially because of a different under-standing regarding the usage of standards in Switzerland compared to Germany, for example. In August 2021, the SIA guideline 2057 Glasbau has been published to close this codification gap and to create a uniform design basis for the Swiss construction industry. A wide range of glass applications is covered, taking into account the latest findings from business and science. The guideline 2057 follows the well-proven SIA principles of regulating only where necessary. Thus, a flexible application of the code is made possible and innovation is encouraged. In addition to simple design/dimensioning methods, engineers are free to pursue alternative and innovative paths in glass design. The present article provides a comprehensive summary of the SIA guideline 2057 in contrast to other, comparable codes such as the German DIN 18008.

Swiss steelweek+ 2021
During an earthquake, steel frame buildings with bracings are prone to high absolute floor acceleration demands, thereby causing damage to acceleration-sensitive non-structural elements and building content. Inelastic deformations in steel bracings and/or their end connections often necessitate the use of capacity design rules to meet the life safety requirements established by seismic design standards. This paper presents an alternative steel frame building configuration where energy dissipation is mostly achieved through friction dampers acting as dissipative connectors between the floor diaphragms and the steel frame(s) with bracings. The dampers consist of friction pads made from composite materials which are not susceptible to galvanic corrosion. Physical experiments suggest that the friction pads are effective in dissipating the seismic energy through friction. Nonlinear response history analyses of a prototype 6-storey steel frame building featuring friction dampers as dissipative floor connectors demonstrate that a) higher mode effects are mitigated; b) capacity-design in the steel frame(s) with bracings is not imperative to ensure a uniform lateral drift distribution; and c) the seismic response variability in storey-based engineering demand parameters is reduced remarkably compared with that of the conventional counterpart with rigid diaphragms. All-in-all, the alternative building configuration has high potential to minimize earthquake-induced repairs over a building's service life.

Schadensresiliente Stahlkonstruktionen für ein verbessertes seismisches Tragverhalten bei mehreren Erdbeben während der Lebensdauer
Während eines Erdbebens sind Stahlrahmen mit Verbänden anfällig für hohe absolute Gebäudebeschleunigung, wodurch beschleunigungsempfindliche nichttragende Bauteile und Komponenten beschädigt werden. Inelastische Verformungen in den Verbänden und/oder ihren Endverbindungen erfordern die Anwendung von Kapazitätsregeln, um die Anforderungen von Erdbebennormen im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu erfüllen. Diese Arbeit stellt ein alternatives Stahltragwerk vor, bei dem die Energiedissipation hauptsächlich durch Reibungsdämpfer erreicht wird, die als dissipative Verbindungen zwischen den Decken und dem/den Stahlrahmen/n mit Verbänden wirken. Die Dämpfer bestehen aus Reibbelägen in Verbundwerkstoffen, die nicht anfällig für Bimetallkorrosion sind. Versuche deuten darauf hin, dass die Reibungsdämpfer die seismische Energie durch Reibung wirksam dissipieren. Nichtlineare Zeitverlaufsberechnungen eines sechsstöckigen repräsentativen Stahltragwerks mit Reibungsdämpfern als dissipative Deckenanschlüsse zeigen, dass a) Effekte höherer Moden gemildert werden, b) eine Kapazitätsauslegung der Stahlrahmen mit Verbänden nicht zwingend erforderlich ist, um eine über die Höhe gleichmäßig verteilte Stockwerksverschiebung zu gewährleisten, und c) die Streuung stockwerksbezogener, seismischer Bemessungsparameter im Vergleich zu konventionellen, starren Anschlüssen an die Decken erheblich reduziert ist. Im Großen und Ganzen hat der alternative Tragwerkstyp ein hohes Potenzial, erdbebenbedingte Reparaturen über die Lebensdauer eines Gebäudes zu minimieren.

Keine Kurzfassung verfügbar.

Im vorliegenden Aufsatz wird die Anwendung des hochfesten Stahls S700MC für dissipative Elemente in erdbebensicheren Stahlkonstruktionen vorgestellt. Das Verhalten unter zyklischen Lasten wurde experimentell an vollmaßstäblichen Konstruktionen untersucht - hierbei wurde ein hohes Duktilitätsmaß festgestellt, wenn auch geringer als bei den üblichen S235-Stählen. Anschließend wurde die Anwendbarkeit hochfester Stähle beispielhaft für zwei mehrgeschossige Gebäude numerisch erprobt. Die Berechnungen umfassten lineare und nichtlineare statische und dynamische Berechnungen. Damit wurden sowohl die praxisnahe Anwendung als auch die Leistungsfähigkeit und die erwarteten Grenzzustände untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass dissipative Elemente aus hochfesten Stählen insbesondere in verformungsarmen Aussteifungssystemen sinnvoll sind, bei denen nicht die Gebrauchstauglichkeit maßgebend, sondern Dissipation bereits bei geringen Verformungen erwünscht ist.

Seismic resistant buildings with dissipative elements made of high strength steel
This paper presents the application of high strength steel S700MC in dissipative elements of seismic resistant FUSEIS structures. The results of large scale cyclic tests are presented and are used for the development and calibration of nonlinear numerical models. The experimental results indicate high ductility, although reduced compared to those from conventional steels. The seismic design of buildings with such elements is illustrated in two case-studies, first by application of practice-oriented linear methods. Subsequently, their seismic performance is checked by nonlinear static and dynamic analyses. The investigations show that high strength steel may be used in dissipative elements of seismic resistant buildings. However, its advantages come into effect for stiff bracing systems where serviceability criteria do not prevail in design and dissipation at moderate deformations is demanded.