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Kühn, BertramDer Stahlbau ist flexibel wie immerStahlbau3/2022161Editorials

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Krieglstein, Tim; Lener, Gerhard; Naujoks, Bernd; Kühn, BertramStabilisierung von Z-Kantprofilen unter abhebenden LastenStahlbau3/2022162-171Aufsätze

Kurzfassung

Sandwichelemente sind in der Lage, ihre Unterkonstruktion gegen Versagen infolge Stabilitätsverlusts zu stützen. Besonders für die im Metallleichtbau eingesetzten dünnwandigen Z-Kantprofile als Dachpfette lassen sich praxisübliche Spannweiten häufig nur durch Berücksichtigung genannter Stabilisierung realisieren. Die Stabilisierung kann in der Mechanik als eine Kombination aus Schubfeld und Drehbettung beschrieben werden. Für die Lastkombination aus Eigengewicht und Windsog liegt jedoch i. d. R. das Schubfeld am unter Zugspannungen stehenden Gurt an, womit dem System lediglich marginale Stabilisierungseffekte zugeführt werden können. Zudem darf gem. deutschem NA zu DIN EN 1993-1-3 (NCI zu 10.1.5.2(2)) für zuvor genannte Lastkombination keine Stabilisierung infolge einer Drehbettung in Ansatz gebracht werden. Jüngste Untersuchungen zeigten zum einen, dass die in der Literatur angegebene Reduzierung der Drehbettung unter abhebenden Lasten zutrifft, bieten zum anderen jedoch abweichend von den in Fachkreisen kursierenden Ingenieurannahmen zwischen 100 % und 50 % Reduktion eine konkrete Quantifizierungsmöglichkeit. Somit wird eine qualifizierte Einschätzung der ansetzbaren Drehbettung unter abhebenden Lasten, begründet auf Bauteilversuchen sowie Berechnungen mithilfe der Methode der finiten Elemente, anhand eines mechanischen Modells ermöglicht. Die wissenschaftlichen Hintergründe hierzu sowie das mechanische Modell sind im nachfolgenden Aufsatz beschrieben.

Stabilization of thin-walled profiles under uplift loads
Sandwich panels are able to support their supporting structure against failure due to loss of stability. Especially for thin-walled Z-profiles used in lightweight metal construction as a purlin, customary span-lengths often only can be reached by taking into account stabilization effects, which can be described as a combination of diaphragm and torsional restraint. However, for the load combination of dead weight and wind suction, the diaphragm is usually located on the flange under tensile stress, which means that only marginally stabilization effects can be added to the system. In addition, acc. to the German NA to DIN EN 1993-1-3, no stabilization due to a torsional restraint may be used for the aforementioned load combination. Recent investigations showed on the one hand that the reduction of the torsional restraint under uplifting loads stated in the literature is true, but on the other hand the investigations also offers a quantification of this reduction others than the roughly engineering assumptions of 100 % to 50 % reduction often used in the past. Thus, a qualified estimation of the applicable torsional restraint under uplifting loads is possible, based on component tests and FE-calculations and derived from a mechanical model. The following publication describes the scientific background as well as the mechanical mode.

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Sanio, David; Klinge, Jan; Schartner, Maria; Reeh, Florian; Schmitz, AndreasMonitoring der Theodor-Heuss-Brücke - Teil 1 - Veranlassung, Monitoringkonzept und Erkenntnisse zum TragverhaltenStahlbau3/2022172-183Aufsätze

Kurzfassung

Die Theodor-Heuss-Brücke in Düsseldorf ist die älteste Schrägseilbrücke Deutschlands und die weltweit erste mit harfenförmig angeordneten Seilen. Seit ihrer Fertigstellung 1957 ist die Verkehrsbelastung stetig gestiegen. Wie bei vielen anderen älteren Brücken mit orthotropen Fahrbahnplatten führte dies mit der Zeit zu Schäden - u. a. in Form von Rissen. Eine Nachrechnung des Bauwerks zeigt deutliche Defizite - insbesondere hinsichtlich der Ermüdung in der orthotropen Fahrbahnplatte. Daher wurde 2019 ein Monitoringsystem aus über 80 Sensoren am Bauwerk installiert und über ein Jahr betrieben. Der Beitrag zeigt die Entwicklung des Monitoringkonzepts, seine Umsetzung und Auswertung. Aus den Messdaten werden Erkenntnisse zum Tragverhalten abgeleitet. So zeigt sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen den ermüdungswirksamen Beanspruchungen und der Temperatur. Einerseits wirkt die steife Asphaltschicht beim Lastabtrag mit, andererseits bewirkt sie eine größere Lastverteilung. Auch zeigt das Monitoring, dass der Einfluss von Radlasten dominiert und eine Ablastung über das zulässige Fahrzeuggesamtgewicht nur geringen Nutzen hat. Vielmehr sind die Radlasten zu begrenzen, um die Bauteile der Fahrbahnplatte zu entlasten.

Monitoring of the Theodor-Heuss-bridge in Düsseldorf - part 1: motivation, monitoring concept and structural behavior findings
The Theodor-Heuss-bridge in Düsseldorf is Germany's oldest cable-stayed bridge and the world's first bridge with harp-shaped cables. Since its opening in 1957, the traffic load has increased progressively. As with many other bridges with orthotropic deck slabs, this led to deterioration over time - for instance in the form of cracks. A recalculation of the structure shows significant deficits - especially with regard to fatigue in the orthotropic deck. Therefore, a monitoring system consisting of more than 80 sensors was installed on the structure in 2019 and operated for more than one year. This paper shows the development of the monitoring concept, its implementation and evaluation. Findings on the load-bearing behavior are derived from the measurement data. A significant correlation between the fatigue loads and the temperature is found. On the one hand, the stiff asphalt layer contributes to the load transfer, on the other hand, it has a greater load distribution effect. The monitoring also shows that the influence of wheel loads dominates and that a reduction in the permissible gross vehicle weight has only a small benefit. Rather, the wheel loads must be limited in order to relieve the components of the orthotropic deck.

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Hulm, Felix; Kreutz, Johannes; Maier, Nadine; Mensinger, Martin; Ndogmo, JosephDimensionierungshilfen für ausgesteifte und unausgesteifte Beulfelder nach DIN EN 1993-1-5 - Teil 2: Mindeststeifigkeiten von Längssteifen für ausgesteifte BeulfelderStahlbau3/2022184-192Aufsätze

Kurzfassung

Im Teil 1 dieses Aufsatzes wurden Diagramme für die Dimensionierung bzw. den Nachweis von unversteiften Beulfeldern vorgestellt. Im vorliegenden Teil 2 werden längs ausgesteifte Beulfelder betrachtet. Insbesondere für ausgesteifte Beulfelder gestalten sich die in DIN EN 1993-1-5 enthaltenen Nachweisformate Methode der wirksamen Breiten und Methode der reduzierten Spannungen als sehr komplex. Aus diesem Grund wurden Diagramme zur Vordimensionierung von Längssteifen entwickelt, die es dem Ingenieur erlauben, mit möglichst wenig manuellem Rechenaufwand zutreffende Abmessungen zu ermitteln. Die Bemessungsdiagramme von Längssteifen verfolgen das Konzept von Mindeststeifigkeiten, welche mithilfe eines Verformungskriteriums aus der linearen Beulanalyse mit verschiedenen Geometrie- und Lastrandbedingungen abgeleitet werden.

Dimensioning tools for stiffened and unstiffened buckling fields according to DIN EN 1993-1-5 - part 2: minimum stiffnesses of longitudinal stiffeners for stiffened buckling fields
In part 1 of this paper, diagrams for the dimensioning and verification of unstiffened buckling zones were presented. In this part 2, longitudinally stiffened buckling fields are considered. Especially for stiffened buckling fields, the verification formats method of effective widths and method of reduced stresses contained in DIN EN 1993-1-5 turn out to be very complex. For this reason, diagrams for the pre-dimensioning of longitudinal stiffeners were developed, which allow the engineer to determine the correct dimensions with as little manual calculation effort as possible. The design diagrams of longitudinal stiffeners follow the concept of minimum stiffnesses, which are derived with the help of a deformation criteria from the linear buckling analysis with different geometry and load boundary conditions.

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Timmers, Ralph; Lang, RobertZur Traglastberechnung geschraubter Kopfplattenverbindungen bei Hohlprofilen mittels DLOStahlbau3/2022193-205Aufsätze

Kurzfassung

Die Berechnung geschraubter Kopfplattenverbindungen ist in der EN 1993-1-8 über das sog. T-Stummel-Modell geregelt. Abhängig von den sich einstellenden Verformungen kann es zu sog. Abstützkräften kommen, welche die Schrauben zusätzlich beanspruchen. Diese Effekte werden über das T-Stummel-Modell grundsätzlich abgebildet, allerdings nur für eine begrenzte Anzahl praxisrelevanter Fälle. Eine allgemeingültige Lösung dieses Problems stellt die Discontinuity-Layout-Optimization- (DLO-) Methode dar. Hierbei handelt es sich um eine numerische Methode zur direkten Bestimmung der Traglast, basierend auf dem kinematischen Satz und unter Verwendung linearer Optimierungsalgorithmen. In vorangegangenen Arbeiten wurde die Methodik bereits an typischen nicht ausgesteiften und ausgesteiften Kopfplattenverbindungen mit I-Profilen verifiziert. Ziel der vorliegenden Untersuchungen ist es nun, den Anwendungsbereich der DLO auf zugbeanspruchte Hohlprofile mit Kopfplattenanschlüssen und allseitig angeordneten Schrauben zu erweitern. Diese Anschlüsse können über die EN 1993-1-8 nicht vollständig abgebildet werden, da allfällige globale Fließlinienmuster durch die Norm nicht abgedeckt sind. Daher wurden die berechneten Traglasten durch Versuche verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die DLO ein geeignetes Mittel zur Berechnung solcher Verbindungen ist und dass die Anwendung, im Vergleich zur FEM, deutlich einfacher und zudem normenkonform ist.

Limit analysis of bolted flange-plate connections in hollow section members using DLO
The calculation of bolted flange-plate connections is ruled in EN 1993-1-8 via the so-called T-stub model. Depending on the deformations, so-called prying forces can occur. These effects are included in the T-stub model but only for a limited number of practical cases. A general solution to this problem is the Discontinuity Layout Optimization (DLO) method. The DLO is a numerical method for the direct determination of the ultimate load, based on the upper bound theorem and by using linear optimization algorithms. In previous research, the methodology has already been verified on typical unstiffened and stiffened end-plate connections with I-sections. The presented investigations aim to extend the application range of the DLO to flange-plate connections in tension with all-sided bolts in hollow section members. These connections are not fully represented by EN 1993-1-8 since global yield line patterns are not covered. Therefore, the calculated ultimate loads were verified by tests. It could be shown that the DLO is a suitable method for calculating such connections and that the application, compared to the FEM, is significantly simpler and conforms to the standard.

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Hoier, AndreasBand im Grünen - die Radwegbrücke Rosenau in FuldaStahlbau3/2022206-210Berichte

Kurzfassung

Der Neubau einer Radwegbrücke im Auenpark der Stadt Fulda ist das Herzstück eines neuen Geh- und Radwegkonzepts. Die Brücke schafft eine direkte Anbindung der umliegenden Stadtteile an die Innenstadt Fulda und bündelt die hessischen Fernradwege R1, R2 und R3. Eine in der direkten Nachbarschaft gelegene, vor 25 Jahren errichtete Holzbrücke kann nun zu einer reinen Gehwegbrücke umfunktioniert werden. Dies ermöglicht eine bessere Trennung der Verkehrsströme und erhöht die Verkehrssicherheit. Der Entwurf sah ein weit spannendes, elegant zurückgenommenes Band vor, das sich mit leichten Bögen in die Auenlandschaft eingliedert. Durch die doppelsymmetrische Linienführung der neuen Brücke, die geschwungenen Bögen der Zuwegung und die leicht verdrehte Ausrichtung relativ zu einer benachbarten Straßenbrücke entsteht eine harmonische Wegeführung, die sich fließend in die umgebende Auenlandschaft eingliedert. Entwurfsziele waren eine kurze und direkte Anbindung an das bestehende Radwegenetz, ein geringer Flächenverbrauch mit min. Eingriff in die Natur sowie die Errichtung eines ökologisch und ökonomisch nachhaltigen Bauwerks zur Stärkung umweltfreundlicher Mobilität.

Green Ribbon - the Rosenau cycle path bridge in Fulda
The new construction of a cycle path bridge in the Auenpark in Fulda is the centrepiece of a new walking and cycle path concept. The bridge creates a direct connection between the surrounding districts and the city centre of Fulda and bundles the Hessian long-distance cycle routes R1, R2 and R3. A wooden bridge built 25 years ago in the immediate vicinity can now be converted into a footpath-only bridge. This allows for a better separation of traffic flows and increases road safety. The design envisaged a wide-span, elegantly recessed ribbon that blends into the floodplain landscape with slight arches. The double-symmetrical lines of the new bridge, the curved arches of the approach and the slightly twisted alignment relative to a neighbouring road bridge create a harmonious pathway that blends fluidly into the surrounding floodplain landscape. The design goals were a short and direct connection to the existing cycle path network, low land consumption with minimal impact on nature, and the construction of an ecologically and economically sustainable structure to strengthen environmentally friendly mobility.

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Kern, Andreas; Kirschbaum, Markus; Kucharczyk, Pawel; Langenberg, Peter; Schnitter, FrederikBewertung des Sprödbruchwiderstands höchstfester Stähle im MobilkranbauStahlbau3/2022211-220Aufsätze

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Die Festlegung von Zähigkeitsanforderungen für tragende Stahlstrukturen für Mobilkrane basiert bis heute größtenteils auf Erfahrungswerten oder deren Herleitung ist nicht transparent und nachvollziehbar. Mit bruchmechanischen Methoden konnten erstmals die Anforderungen an die Werkstoffzähigkeit für ein sprödbruchsicheres Betreiben differenziert bewertet und nachvollziehbar quantifiziert werden. Die vorgestellte Methodik lässt für verschiedene Bauteile, Beanspruchungsbedingungen und Vorgaben für Schweißnahtunregelmäßigkeiten die zu erwartende Lebensdauer sowie die erforderliche Werkstoffzähigkeit abschätzen.

Brittle fracture resistance of high-strength steels in mobile crane engineering
The definition of toughness requirements for load-bearing steel structures for mobile cranes are largely based on empirical values or their derivation is not transparent and understandable. For the first time, fracture mechanical methods enabled the assessment of requirements for material toughness for brittle fracture-proof operation in a differentiated manner and quantified in a comprehensible manner. The methodology presented, allows the expected service life and the required material toughness to be estimated for various components, load conditions and specifications for weld seam irregularities.

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Stahlbau aktuell 3/2022Stahlbau3/2022222-226Stahlbau aktuell

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Weihnachtsaufgabe:
Lösung und Gewinner der Weihnachtsaufgabe 2021

Persönliches:
Georg Geldmacher wechselt an die Frankfurt UAS
Nachruf Dr.-Ing. Günter Timm

Aktuelles:
Erzeugerpreisindex Stahl (2015 = 100)
Durchschnittliche BDSV-Lagerverkaufspreise für Stahlschrottsorten in Deutschland

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Kongresse - Symposien - Seminare - MessenStahlbau3/2022226Veranstaltungskalender

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Content: Steel Construction 3/2022Steel Construction3/2022Contents

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Cover Picture: Steel Construction 3/2022Steel Construction3/2022Cover Pictures

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In April 2020, the world's first submerged full size slip joint was installed in the Borssele V offshore wind farm. An extensive qualification programme in terms of numerical modelling and testing (see photo) was set up prior to installing the slip joint. The Borssele V offshore wind farm offered a unique opportunity to demonstrate to the industry that the slip joint connection is fully feasible, certified and ready for practical implementation (s. paper Suur, S; Hengeveld, F., p. 152 ff.)

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Pinger, Thomas; Müller, Thomas; Kaucke, Christoph; Straetmans, Boris; Wessel, WaldemarHot-dip galvanizing of high-strength hot-finished hollow sectionsSteel Construction3/2022133-139Articles

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The galvanizability of high-strength, hot-finished hollow sections was investigated as part of a test programme. Here, square sections made of steel grades ranging from 355 to 620 MPa were galvanized using two processes: a classic, quasi-rare zinc melt and a zinc-5 % aluminium alloy. To determine the influence of galvanizing on the material properties, samples were taken from the galvanized specimens, tensile tests and Charpy-V-tests were performed on them, and the results were compared with those in the ungalvanized initial state. Furthermore, we investigated the optical and microstructural characteristics of the zinc coatings, as well as possible cracking due to liquid metal embrittlement (LME). The results show that the two galvanizing processes used in the test programme produce no negative effect, but rather tend to have a positive effect on the mechanical properties of the steels tested. In all cases, stable zinc coatings are formed that exhibit the expected characteristics. Cracking as a result of LME could not be detected.

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Xin, Haohui; Li, Jie; Veljkovic, Milan; Liu, Yuqing; Sun, QingEvaluating the strength of grade 10.9 bolts subject to multiaxial loading using the micromechanical failure index: MCEPSSteel Construction3/2022140-151Articles

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Bolted joints in steel structures are generally subject to combined actions. The research on ultimate capacity of bolted joints under combined tension and shear actions, twin shear actions, and combined tension-twin shear actions is relatively limited. The aim of this paper is to calibrate the fracture locus of grade 10.9 bolts using the mesoscale critical equivalent plastic strain (MCEPS). We use ductile fracture simulation to numerically evaluate the ultimate resistance of bolts subject to multiaxial loading and compare the results with the current design standards. The results show that predictions for grade 10.9 bolts subject to multiaxial loading in Chinese code GB 50017 and American code AISC-360 are not on the safe side, while predictions in European code EN1993-1-8:2005 are slightly on the conservative side. We propose two modification factors to improve prediction of bolt strength subject to multiaxial loading; namely the multiaxial loading factor for shear resistance &xgr;v and the multiaxial loading factor for tensile resistance &xgr;t.

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Suur, Sander; Hengeveld, FerdyBorssele V slip joint connection: design, certification and installation of the world's first full-size submerged slip jointSteel Construction3/2022152-159Articles

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In April 2020 the world's first full-size submerged slip joint connection was installed at the Borssele Site V offshore wind farm. This event marked the launch of a new, alternative transition piece/monopile (TP/MP) connection for the offshore wind market. An extensive qualification programme in terms of numerical modelling and testing was set up prior to installing the slip joint. This process was witnessed, reviewed and accepted by DNVGL. It led to a certified slip joint design for Borssele V, with a 9.5 MW wind turbine generator (WTG) on top of the foundation as well as an A-level component certificate for the slip joint in general. The installation of the slip joint for Borssele V was the first use of this connection in a commercial full-size wind turbine.
The implementation of the slip joint connection at Borssele V demonstrated the benefits of the slip joint in terms of simple, safe and fast installation as well as the option for using the slip joint submerged, thus allowing a more optimized weight/length split between MP and TP and the use of smaller installation vessels. A monitoring campaign was executed during and after installation to provide lessons for future slip joint designs.
Reducing the levelized cost of energy (LCoE) requires big steps in technology innovation. The Borssele V offshore wind farm offered a unique opportunity to demonstrate to the industry that the slip joint connection is fully feasible and ready for practical implementation.
The slip joint: simple connection, ingenious design.

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Low-damage steel structures for enhanced life-cycle seismic performanceSteel Construction3/2022159Editor's Recommendations

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Mohan, Meera; Wilkinson, TimDamage criterion approach to high-strength steel RHS truss jointsSteel Construction3/2022160-171Articles

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This paper describes finite element simulations of the structural deformation and material fracture behaviour of high-strength steel RHS K gap truss joints. The fundamental scope was to examine whether the joint strength predictions based on the behaviour of lower strength and more ductile steel with a yield stress of 355 MPa or less would hold good for higher strength 450 MPa steel with a lower ductility. The FEA reliability analysis indicates that for failure modes associated with local buckling, yielding and deformation (chord side wall failure, chord face plastification and brace failures due to reduced effective width), the existing approach could, with modifications, be extended to cover higher strength tubes, but for failure modes associated with fracture or ductility or modes liable to brittle failure (tearing in the tension brace and chord punching shear), a strength reduction modifying factor was required. The finite element simulations incorporated a damage mechanics approach to calibrate experimental results in both the fracture and deformation modes of failure. The paper proposes a new formulation for strength and incorporates reduced ductility in high-grade steel with a modifier function that is not based on yield stress, instead recognizes the reduced ultimate strains, damage parameter for fracture and ultimate stress of the material.

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Shams-Hakimi, Poja; Al-Karawi, Hassan; Al-Emrani, MohammadHigh-cycle variable amplitude fatigue experiments and design framework for bridge welds with high-frequency mechanical impact treatmentSteel Construction3/2022172-187Articles

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Fatigue enhancement by way of high-frequency mechanical impact (HFMI) treatment can enable effective design and construction of steel bridges. However, bridges may experience high and varying mean stresses, the effects of which are not covered today by any design recommendation or in the literature on HFMI-treated joints. In this study, fatigue experiments were conducted with realistic in-service bridge loading, which revealed the same high fatigue performance as for constant amplitude loading. The effect of mean stress in spectrum loading was quantified and a method to account for it in an equivalent manner is proposed. A design framework has been developed for design and engineering purposes.

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3D printed columns with exceptional geometrySteel Construction3/2022187Editor's Recommendations

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Apellániz, Diego; Vierlinger, RobertEnhancing structural design with a parametric FEM toolboxSteel Construction3/2022188-195Reports

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The Parametric FEM Toolbox is a plug-in for the visual programming environment Grasshopper which implements the RF-COM API of the Dlubal RFEM finite element software to establish a connection between these two platforms. Both the transfer of data from Grasshopper into RFEM and back from RFEM into Grasshopper are supported. Thus, new possibilities are enabled beyond the options of the conventional graphical user interface (GUI) of RFEM: the use of the Rhino 3D modelling tools to create NURBS curves and surfaces; the possibility of the parametric modification of an existing FE model or part of it; the export and processing of FE model data, which sometimes is not even available through the program GUI, e.g. 3D shapes of beam elements; etc. With these functionalities, the object-oriented structure and compact GUI, this tool can easily be adapted to numerous workflows and optimization processes. This paper explores which possibilities exist for implementing a commercial FEM software in a parametric design platform. Existing approaches are reviewed, the development of the Parametric FEM Toolbox is described and some of the possible workflows with this new tool are explored through a collection of real-world case studies.

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Laser beam and laser-GMAW-hybrid welded joints made of high-strength fine-grained structural steelsSteel Construction3/2022195Editor's Recommendations

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Steel Construction News 3/2022Steel Construction3/2022196-199ECCS news

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ECCS News:
Events
Research Projects

Book Review:
Design, Analysis and Construction of Space Structures

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Events: Steel Construction 3/2022Steel Construction3/2022200Events

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Ernst & Sohn (Hrsg.)UBB 3/2022 - GesamtausgabeUnternehmerBrief Bauwirtschaft3/20221-40Gesamtausgabe

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Titelbild: Bauphysik 2/2022Bauphysik2/2022Titelbild

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Zum Titelbild:
Der Beitrag des Teams RoofKIT zum Solar Decathlon Europe SDE 21/22 ist die Aufstockung auf ein Bestandsgebäude, um neue Funktionen und Wohnraum zu schaffen (siehe S. 57). Hauptzielsetzungen sind das sortenreine und kreislaufgerechte Bauen sowie eine CO2-neutrale solargestützte Energieversorgung. Das Bestandsgebäude bleibt äußerlich als Identifikationspunkt im Quartier weitgehend unverändert unter energetischer Aufwertung der Gebäudehülle; u. a. werden die Bestandsfenster durch eine zweite Fensterebene aus der urbanen Mine ergänzt. Der neu gestaltete Ballsaal wird um ein Geschoss nach oben versetzt. Der dadurch gewonnene Raum des ehemaligen Tanzsaals wird zu Unterkünften für internationale Künstler und andere temporäre Bewohner umgestaltet. Die Aufstockung weiterer Wohneinheiten auf den neuen Tanzsaal wird in vorgefertigten Holzmodulen ausgeführt. Das Bild zeigt eine Visualisierung. (Quelle: Team RoofKIT).

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Inhalt: Bauphysik 2/2022Bauphysik2/2022Inhalt

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