Die neu erschienenen Normen EN 10210-2:2006 und EN 10219-2:2006 enthalten für die rechteckigen Hohlprofile das Torsionsträgheitsmoment und das Torsionswiderstandsmoment, welche zur Berechnung der Verformungen und Spannungen aus der primären Torsion (St. Venant-Torsion) benötigt werden und ausreichend sind. Im vorliegenden Beitrag werden darüber hinaus jene weiteren Querschnittswerte angegeben, die zur Berechnung der Wölbnormal- und Wölbschubspannungen aus der sekundären Torsion erforderlich sind. Diese Spannungen sind nicht vernachlässigbar, treten aber im wesentlichen nur an bestimmten Störstellen auf. Wie stets bei geschlossenen Querschnitten, müssen die sekundären Schubverformungen berücksichtigt werden.

Es werden die im Jahr 1971 neuesten Forschungsergebnisse über die Torsionsfestigkeit und -steifigkeit unbewehrter, schlaff bewehrter und vorgespannter Betonstäbe mit Voll- und Hohlquerschnitt ausgewertet und so zusammengefasst, daß torsionsbeanspruchte Bauglieder aus Beton mit den mitgeteilten Formeln und Diagrammen mit einer für praktische Zwecke ausreichenden Genauigkeit berechnet werden können.

Die Steifigkeit dünnwandiger Rahmen und damit ihre Stabilität sind abhängig von der Ausbildung der Rahmenecken und den Auflagerbedingungen. Es wird eine Theorie für die Übertragung der Verwölbung und die teilweise Einspannung für vier Typen Rahmenecken aus I-Trägern vorgestellt. Diese Theorie beruht auf einer Kombination von Verwölbung und lokaler Formänderung des Querschnitts. Für jeden Typ der Ecken sind die Ergebnisse in Form einer Kontinuitätsbedingung und eines Steifigkeitsbeitrages dargestellt. Dieses Format ist kompatibel mit der Darstellung von Rahmen durch dünnwandige Trägerelemente nach der Elementenmethode auf der Basis der Elastizitätstheorie. Der Einfluß des Eckentyps auf die kritische Biegedrillknicklast von Rahmen wird durch numerische Beispiele veranschaulicht.

Eine Weiterentwicklung der zurzeit gängigsten Herstellungsart von Segmenttürmen für Windenergieanlagen stellt die veränderte Ausbildung der entstehenden Fugen dar. Die seit vielen Jahren für die Horizontalfugen verwendete Trockenfuge, welche ohne eine Ausgleichsschicht durch Epoxid- oder Zementmörtel auskommt, soll auch für die senkrechten Fugen verwendet werden. Die Ebenheit in den Fugen wird über eine hochpräzise CNC-Fräse hergestellt und dadurch die Dichtigkeit der Konstruktion sowie die flächige Kraftübertragung sichergestellt. Die in diesem Artikel durchgeführten numerischen Untersuchungen zeigen die durch die neuartige Konstruktion entstehenden Veränderungen in der Lastabtragung und der Tragfähigkeit. Für diese Konstruktionsart existieren derzeit keine allgemeingültigen Bemessungsansätze, welche die Veränderung des Querschnitts vom geschlossenen Kreisringsegment zu zwei “offenen” Halbkreisringsegmenten berücksichtigen.

Torsional behavior of a segment tower with an alternative joint design
Based on the most commonly constructed segment wind turbine towers at present, a further developed design of joints is described in this article. The dry joint which works without balancing layer of epoxy or cement mortar has been applied to wind turbine towers in the horizontal direction for many years. It should also be applied in the vertical direction. The evenness in the joint will be assured with the help of a high-precision milling machine. Therefore, the compactness and force transmission of the construction can be guaranteed. However, a decrease of structural resistance is still observed through numerical simulation. By changing the integral cross section to an open half-ring segment, the weak part can be easily pointed out in the structure design itself and also by current design approaches. There are currently no suitable theories or regulations for this kind of structural design.

Beim Bau von besonders hohen Windenergieanlagen und auch im Brückenbau werden Betonfertigteile bevorzugt mit trockener Fuge gestoßen und einer Längsvorspannung überdrückt. Schubkräfte infolge Torsion und Querkraft können in der Segmentfuge lediglich über Reibung abgetragen werden, d. h. die Torsions- und Querkrafttragfähigkeit ist direkt mit dem Reibwiderstand der Fuge gekoppelt. Unter einer Biegebeanspruchung ist dieser Reibwiderstand über den Querschnitt veränderlich. Gleichzeitig kann es zu einer klaffenden Fuge im GZT kommen. Die vorherrschenden Bemessungsansätze haben es bisher nicht geschafft, eine stringente Lösung zur Torsionstragfähigkeit in Kombination mit Biegung darzulegen. Ein Ansatz gemäß Elastizitätstheorie soll hier auf das wahre Tragverhalten aufmerksam machen.

Torsional structural behavior of hollow concrete cross-sections in closed and gaping segment joints - Part 1: A verification according to elasticity theory
Segment joints can be found in bridge construction, but also in the construction of particularly high onshore wind turbines. In the horizontal joint of these segment towers, the prefabricated concrete elements often meet dryly, so that the shear forces have to be transmitted by friction alone. The torsional load-bearing capacity is therefore directly coupled to the friction resistance of this joint. Under a bending load, this frictional resistance varies over the cross section. At the same time, there might be a gaping joint in the ultimate limit state. The prevailing design approaches have not yet been able to present a stringent solution to the torsion load capacity in combination with bending. An approach based on the elasticity theory shall therefore draw attention to the true load-bearing behavior.

Beim Bau von Segmentbrücken oder Türmen von Windenergieanlagen werden Betonfertigteile häufig trocken gestoßen und die Fugen mit einer Vorspannung überdrückt. Durch trockene Reibung müssen die meist glatten Betonoberflächen auch Schubspannungen aus Querkraft und Torsion übertragen. Im ersten Teil dieses Aufsatzes [1] wurden zwei bestehende Nachweismodelle zum Torsionstragverhalten von trockenen Betonfugen am Beispiel des Turms einer Windenergieanlage vorgestellt und zudem ein eigener Ansatz auf Grundlage der Theorie der Wölbkrafttorsion aufgezeigt. Aufbauend auf diesem Ansatz wird nachfolgend ein neues konsistentes Nachweiskonzept vorgestellt, welches eine sehr gute Übereinstimmung mit Versuchsdaten aufweist.

Torsional structural behavior of hollow concrete cross-sections in closed and gaping segment joints Part 2 - The redistribution of torsional shear stresses
During the construction of segmental bridges or towers of wind turbines, precast concrete elements are often met dry and the joints get prestressed. By dry friction, the mostly smooth concrete surfaces have to transfer shear stresses from lateral force and torsion. In the first part of this essay [1], two existing verification models for the torsional load-bearing behavior of dry concrete joints were presented using the example of the tower of a wind turbine and a separate own approach based on the theory of warping torsion was also shown. Based on this approach, a new consistent verification concept is presented below, which shows very good agreement with test data.

Betonfertigteile für segmentierte Türme von Windenergieanlagen sind Serienprodukte, die im Sinne der Nachhaltigkeit möglichst ressourcenschonend zu bemessen sind. Dabei sind die Querkraft- und Torsionstragfähigkeit der Fugen in der Bemessung der Betonfertigteiltürme von großer Bedeutung. In den Teilen 1 und 2 dieser Veröffentlichungsreihe wurde ein neues Berechnungsmodell für die Fugentragfähigkeit vorgestellt, welches im vorliegenden 3. Teil anhand von Versuchsergebnissen und FE-Berechnungen verifiziert wird. Zusätzlich wird ein Vergleich zu anderen Modellen gezogen und die Anwendungsbereiche der Modelle werden eingegrenzt.

Torsional structural behavior of hollow concrete cross-sections in closed and gaping segment joints - Part 3: Verification
Precast concrete elements for segmented towers of wind turbines are series products that must be designed to be as resource-efficient as possible in terms of sustainability. In this context, the shear force and torsion load-bearing capacity of the joints are of great importance in the design of the precast concrete towers. In parts 1 and 2 of this publication series, a new calculation model for the joint load-bearing capacity was presented, which is verified in the present 3rd part on the basis of test results and FE calculations. In addition, a comparison to other models is made and the application areas of the models are narrowed down.

Die genauen Torsionskenngrößen von gewalzten Winkelprofilen, die sich auf Basis von Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) bestimmen lassen, zeigen teilweise relativ große Abweichungen zu den Näherungslösungen, die im Allgemeinen bei baupraktischen Problemstellungen zur Anwendung kommen. Aus diesem Grund werden die genaue Lage des Schubmittelpunktes sowie genaue Torsionsträgheitsmomente für die Winkelprofile nach DIN EN 10056-1 zusammengestellt. Darüber hinaus lässt die Kenntnis dieser Größen eine Verbesserung der bekannten Näherungsformeln sowie die Entwicklung neuer Bestimmungsgleichungen für das Torsionsträgheitsmoment zu.

Zur Untersuchung des Torsionstragverhaltens von textilbetonverstärkten Stahlbetonbauteilen wurden Torsionsversuche an Bauteilen mit runden und quadratischen Querschnitten durchgeführt. Anhand von Versuchsergebnissen wird gezeigt, dass durch die Textilbetonverstärkung die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit deutlich verbessert werden kann. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden mit Hilfe von Stabwerksmodellen beschrieben.

Torsion Test at Textile Reinforced Concrete Strengthened Components
In order to examine the torsion bearing behaviour of textile reinforced concrete components torsion tests have been carried out at building units with round and square shaped cross sections. Test results display that using textile reinforced concrete can considerably improve the load carrying capacity and the serviceability. The results of the experimental research are being described by strut-and-tie models.

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Lightweight foamed concrete (LWFC) is a concrete having structural strength with lightweight density and high flowability. High-performance lightweight foamed concrete (HPLWFC) is used in modern concrete technology and intensively in the construction of high-rise buildings, long-span concrete structures, road sub-bases and other applications. The present work deals with the fresh and hardened properties of LWFC. The fresh properties of LWFC are measured with the flow and fresh density tests. The hardened properties tests include compressive strength, flexural strength, flexural toughness, static modulus of elasticity, ultrasonic pulse velocity, water absorption and oven-dry density. In addition, the study focuses mainly on the effect of the fibres added to LWFC mixes. Two types of fibre have been used: glass fibres and polypropylene fibres, and the combination of glass fibres (GF) and polypropylene fibres (PPF) to obtain hybrid fibres (GF+PPF).This study also focuses on the effect of hybrid fibres on the flexural toughness of HPLWFC. Trial mixes have been used to choose the optimum mix. The definition for choosing the best mix depended on three parameters: oven-dry density, flowability and compressive strength. The volume fraction of glass and polypropylene fibres are 0.06, 0.2, 0.4 and 0.6 %, and 0.2, 0.6, 1 and 1.4 % respectively. The percentages of hybrid fibres “GF + PPF” are “0.2 + 0.6”, “0.4 + 0.6”, “0.2 + 1” and “0.4 + 1” %. The results show that the greatest increments in the compressive and flexural strengths of LWFC are 51 and 21 % respectively due to the use of 0.6 % glass fibres. On the other hand, LWFC reinforced with polypropylene fibres exhibits only a minor increase in compressive, splitting tensile and flexural strengths. The best percentage of hybrid fibres yielding the highest increment in LWFC is “0.4 % GF + 0.6 % PPF”. The results of flexural toughness tests indicate that the polypropylene fibres denote a higher efficiency in the flexural toughness than is the case with glass fibres. The flexural toughness results increase with the volume fraction of the fibres. The hybridization shows the best flexural toughness values due to the cooperative work of the glass and polypropylene fibres boost the performance of flexural toughness in pre-crack and post-crack zones. Therefore, the use of 0.4 %GF + 1 %PPF gives the best results in this regard.

This report deals with the results of an international research project ”Plastotough”, the aim of which is to discover the toughness requirements for structural steel to make it suitable for plastic design for ”static loads” and for loads that vary over time, as from seismic events. These toughness requirements should be specified as the Charpy energy value KVUS in the upper shelf domain of the toughness-temperature diagram and as the extension of KVUS to the minimum temperature TUS for which it is still valid. This report, after recalling empirical rules for toughness requirements, first gives the methodological tools from fracture mechanics and damage mechanics to tackle the task. The use of these tools is connected with experimental tests on specimens that are detailed such that they are representative of local (from notch effects) and global (from plastic hinges with plastic rotations) ductility demands. The steels for the test specimens were taken from regular ”European production”; rolled sections in particular exhibit a quality level that far exceeds the minimum requirements of EN 10025. For the steels considered, it was proved that they follow the EricksonKirk correlation between the T27J values and TUS so that they can be classified in a group of steels together with pressure vessel steels and naval steels. All strain requirements from local strain raisers and from global plastic rotations could be met on the safe side using the fracture mechanics and damage mechanics resistances determined for these steels. For seismic design in particular it could be shown that the cracking associated with ultra-low-cycle fatigue is not relevant for buildings if the behaviour factor q is determined using reasonable limits for inter-storey drift. Therefore, the key conclusion is that for the safe use of plastic design in ”static” and ”seismic” situations, the elevated level of toughness quality of steels usually available from European producers must be used. To this end it is recommended to specify these steels either in the context of brandnames or by additional options in EN 10025.

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Nominated for the Bernt Johansson Outstanding Paper Awards at Nordic Steel 2019
This paper presents a Two-Stage-Model for determining the fatigue life of steel structures. The model follows the distinction between crack initiation and crack propagation according to the phenomenological background. The first stage uses the local strain-life approach to predict the number of cycles for crack initiation Ni considering the cyclic material behaviour as well as the load-time history. The second stage calculates the crack propagation based on a linear-elastic fracture mechanics approach. Using X-FEM in combination with cyclic loading, an arbitrary, solution-dependent crack path is achieved to determine the number of cycles for propagation Np. The Two-Stage-Model was applied to butt welds to determine their total fatigue life Nf in terms of a proof-of-concept study. The study investigated the ability of the model to consider the influence of the weld geometry, i.e. plate thickness and weld imperfections (excess and vertical offset). The results are presented by means of S-N curves for initiation life, propagation life and total fatigue life. A comparison with experimental results provided in the literature shows that the Two-Stage-Model can reflect the weld quality of butt welds in terms of fatigue life.

After a concrete structure has been exposed to fire, a combination of destructive and non-destructive testing, expert judgment and calculations is used to decide whether the structure should be demolished or repaired, or can continue to be used without repairs or rehabilitation. However, there are many uncertainties associated with both the fire duration and the effect of elevated temperatures on the residual mechanical properties of the materials. Consequently, the maximum service load after fire exposure should be assessed based on reliability considerations in order to provide an adequate level of safety. As this type of calculation is too complex and time-consuming for practical use, a reliability-based assessment tool has been developed for concrete structures and applied to slabs to determine the maximum service load after fire. When using the proposed method, a safety level is targeted which is comparable with the safety level associated with the Eurocode format for the design of new structures. It is concluded that the proposed assessment method is both user-friendly and directly applicable in practice.

In engineering practice, the prevention of early-age cracking in massive concrete structures is of great importance to their serviceability during the whole life cycle. From the scientific viewpoint, this engineering concern requires the control of the early-age performance of concrete structures. Following earlier research projects against the background of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Link, the focus of this work is to obtain insights into the evolution of the early-age behaviour of precast concrete in an immersed tunnel. To this end, a full-scale test was performed, from which the behaviour of early-age concrete could be observed directly. After validating the constitutive model developed with the test results, the early-age performance during the entire fabrication process of the precast concrete immersed tunnel is evaluated numerically. It was also found that stress relaxation plays a major role in stress development in the immersed tunnel, although the thermal strain is the main source of early-age stresses. This in-depth investigation resulted in a comprehensive understanding of the early-age behaviour of an actual precast concrete immersed tunnel. What is more important, the early-age performance of concrete structures can be accurately evaluated and further adjusted or controlled with the help of the validated numerical modelling, which is no doubt beneficial for the control of early-age cracking in massive concrete structures in engineering.

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.

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