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Herrn Dipl.-Ing. Wolfang Eilzer zur Vollendung des 65. Lebensjahres gewidmet.
Im Zeitraum von 2013, der Veröffentlichung des Wettbewerbs, über die Grundsteinlegung in 2018 bis zur Fertigstellung voraussichtlich Anfang des Jahres 2022 entstand auf dem Campus der Universität Basel ein Labor- und Forschungsgebäude für das Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) der ETH Zürich. Zentrales gestalterisches Element des Neubaus ist ein lichtdurchflutetes Atrium, welches mit einem äußerst transparenten Glasdach abschließt. Die gewünschte Leichtigkeit des Tragwerks konnte nur mit einer Gitternetzschale erreicht werden, deren Geometrie in einem Formfindungsprozess optimiert worden ist. Die maximalen Abmessungen des Atriums, dessen Grundriss an ein “Dreieck mit ausgerundeten Ecken” erinnert, betragen etwa 20 m × 35 m. In zwei gegenüberliegenden Ecken des Atriums setzt je eine skulpturale Wendeltreppe einen weiteren architektonischen Akzent. Die beiden Treppen sind freitragend und verbinden zwei bzw. drei Geschosse. Diese drei raumprägenden Stahlobjekte entstanden in intensiver Zusammenarbeit zwischen Architekten und Tragwerksplanern. Auf den Entwurfsprozess und die technischen Herausforderungen bei Planung und Montage der Stahltragwerke wird im Folgenden näher eingegangen.

Atrium roof and steel spiral stairs at the scientific building D-BSSE of ETH Zürich in Basel
On the campus of the University of Basel an outstanding scientific building ist currently being erected. It will be the future home of the Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) of ETH Zürich. The planning process started in 2013 following an architectural design competition. Construction began in 2018 and is expected to be completed in 2022. Key element of the building layout is a central atrium. It is covered by an elegant glass roof and therefore floodeded with light. The desired brightness could only be achieved by a gridshell. Its shape is the result of a form-finding process. The atrium's footprint resembles a triangle with rounded corners. Its maximum dimensions are about 20 m × 35 m. Two iconic spiral stairs are located opposite each other in two corners of the atrium. They connect two or three floor levels respectively and span freely between the floor slabs. Those three steel structures, which dominate the atrium's internal space, are the result of a close collaboration between the architect and the structural engineer. This design process, the technical challenges in design and construction are the subject of this paper.

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Temporary covered areas in Greece are seen as an open space, and so allow a higher usage of the land. The goal during the design was to find a light roof with direct view to the blue sky. The solution is a north light roof with highly translucent membrane panels and with a transparent cladding on the north side of the parallel steel girders to allow the direct view, and the entrance of the cool northern light.

The Dywi Drill Hollow Bar system from DSI Underground is a versatile support element, which can be used as a micropile, soil or rock nail, grouted anchor, spile or grouting lance in mining and tunnelling as well as for geotechnical tasks such as foundations. Recently, DSI got an approval for the Dywi Drill Hollow Bar as a temporary micropile and as a permanent pile, according to which a service life of 100 years can be achieved for a permanent pile (photo: DSI Underground).
Das Dywi Drill Hohlstab-System der DSI Underground ist ein vielseitig einsetzbares Stützmittel, das als Mikropfahl, Boden- bzw. Felsnagel, Verpressanker, Spieß oder Injektionslanze im Berg- und Tunnelbau sowie bei geotechnischen Aufgabenstellungen wie Gründungen eingesetzt werden kann. Kürzlich hat DSI eine Zulassung für den Dywi Drill Hohlstab als temporärer Mikropfahl und Dauerpfahl erhalten, nach der bei dem Dauerpfahl eine Nutzungsdauer von 100 Jahren erreicht werden kann (Foto: DSI Underground).

During the Design-Build-Finance procurement of the “RER Highway 401 Rail Tunnel”, the option with two single SEM tunnels was selected as preferred alternative. The challenges of this project lie not only in the conditions and requirements by the Ministry of Transportation of Ontario, the owner of the highway above and the existing tunnel beside the new tunnels, but also in construction beneath one of the busiest highways in North America. Pre-support measures for tunnel excavation, which cannot involve any type of grouting directly beneath the roadway surface, were evaluated based on their risk exposure, resulting in the selection of a pipe jacked umbrella above the tunnel crowns. A sophisticated monitoring programme is implemented with online access at any time to allow for immediate response and implementation of pre-determined mitigation measures as required.
Im Zuge einer funktionalen Ausschreibung mit Bauzeitfinanzierung (Design-Build-Finance) wurde in einer Methodenevaluierung für den Bau des “RER Highway 401 Rail Tunnels” die Variante mit zwei eingleisigen Tunnelröhren in sequentieller Bauweise als bester Vorschlag ausgewählt. Die Herausforderungen dieses Projekts liegen nicht nur in den Rahmenbedingungen und Vorgaben des Verkehrsministeriums von Ontario als Eigentümerin der darüberliegende Autobahn und des unmittelbar daneben liegenden bestehenden Bahntunnels, sondern auch in der Abwicklung und Ausführung des Projekts unter einem Verkehrsknotenpunkt einer der meistbefahrenen Autobahnen Nordamerikas. Voraussicherungsmaßnahmen für den Tunnelausbruch, die Injektionen unter der Fahrbahn größtenteils ausschließen müssen, wurden in einer detaillierten Risikoevaluierung ausgewählt, wobei einer Rohrvorpressung zur Herstellung eines Rohrschirms der Vorzug gegeben wurde. Ein aufwändiges und jederzeit online einsichtiges Messprogramm soll ein frühes Erkennen von Hebungen und Setzungen und ein rasches Umsetzen von zuvor festgelegten Gegenmaßnahmen sicherstellen.

Asymmetrische Netzwerkbögen eröffnen dem entwerfenden Ingenieur neue gestalterische Möglichkeiten bei gleichzeitig guter Wirtschaftlichkeit und hoher Effizienz des Tragwerks. Im Gegensatz zu Stabbogenbrücken mit vertikalen Hängern befindet sich die Stützlinie in Netzwerkbögen ohne Hängerausfall für alle Lastfälle im Bogen. Daher muss die Bogenform nicht einem bestimmten Lastfall angepasst werden und kann asymmetrisch sein. Voraussetzung ist, dass auch dann eine Hängeranordnung entworfen wird, die Hängerausfall vermeidet. Die Schrittgrößen und die technische Machbarkeit entsprechen im Wesentlichen denen von symmetrischen Netzwerkbögen. Mögliche Anwendungsgebiete umfassen asymmetrische Brückenstandorte sowie schiefwinklige Brücken und Brücken mit veränderlicher Breite.

Asymmetric network arch bridges.
Asymmetric network arch bridges offer new possibilities to the design engineers. At the same time they ensure both, economic and static efficiency. In contrast to tied arch bridges with vertical hangers, in network arches without hanger relaxation the line of thrust lies within the arch for all load cases. Therefore, the arch shape does not have to be adapted to a special load case and may be asymmetric. The requirement for this is, that a hanger arrangement is designed, which avoids hanger relaxation. Internal forces and technical feasibility are basically the same as in symmetric network arches. Possible applications are asymmetric bridge locations, skew bridges or bridges with variable width.

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The abrasiveness of crushed rock is determined in the design phase of a tunnelling project to estimate the wear on excavation and boring tools, using for example the LCPC abrasiveness test. Considered from the point of view of material science, there are problems with the validity of such an index value since important tribological factors, like for example the internal structure of the sample impeller (size, phase composition) are not considered in the current testing standard (AFNOR P18-579). In this investigation, LCPC tests were performed with impellers of various steels of the same and different hardnesses against two abrasives (Mohs hardness 7, 9) in order to determine the influence of the internal structure and the associated tribo-mechanical properties on the LCPC index value (ABR). In addition to the material hardness required by the standard (60 to 75 HRB ≈ 105 to 140 HV 10 according to DIN EN ISO 18265-2013), sample materials with higher hardness values were also used in order to extend the basis of the LCPC abrasiveness index to these practically applicable material groups. The results make clear that awareness has to be raised regarding the materials used for the LCPC test. An abrasive can be classified differently just by using various materials of the same hardness. In order to obtain reliable and reproducible index values for the abrasiveness of crushed rock, it is necessary to consider the influence of materials in future recommendations for the LCPC.
Die Abrasivität von Lockergestein wird im Rahmen der Planungsphase eines Tunnelbauprojekts zur Abschätzung des Verschleißes an Abbau- und Bohrwerkzeugen bestimmt, beispielsweise durch den LCPC-Abrasivitätstest. Aus werkstofftechnischer Sicht ergeben sich Schwierigkeiten in Bezug auf die Aussagekraft eines solchen Indexwertes, da wichtige tribologische Einflussfaktoren wie z. B. das Gefüge des Prüfflügels (Größe, Phasenzusammensetzung) in der aktuellen Prüfnorm (AFNOR P18-579) nicht berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden LCPC-Versuche mit Drehflügeln aus verschiedenen Stählen gleicher und unterschiedlicher Härte gegen zwei Abrasive (Mohshärte 7, 9) durchgeführt, um den Einfluss des Gefüges und den damit verbundenen tribo-mechanischen Eigenschaften der Prüfflügelwerkstoffe auf den LCPC-Indexwert (ABR) zu ermitteln. Neben Werkstoffhärten, die nach Norm gefordert werden (60 bis 75 HRB ≈ 105 bis 140 HV 10 nach DIN EN ISO 18265-2013), fanden auch Prüfwerkstoffe mit höheren Härtewerten Anwendung, um die Datenbasis des LCPC-Abrasivitätsindex auf diese anwendungsnahen Werkstoffgruppen auszuweiten. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine Sensibilisierung im Umgang mit dem LCPC-Versuch in Bezug auf die verwendeten Werkstoffe erforderlich ist. Ein Abrasiv lässt sich unterschiedlich klassifizieren, nur durch die Nutzung von verschiedenen Werkstoffen derselben Härte. Um aussagekräftige und reproduzierbare Indexwerte für die Abrasivität von Lockergestein bestimmen zu können, ist es notwendig, werkstofftechnische Einflüsse in zukünftigen Empfehlungen für den LCPC-Versuch zu berücksichtigen.

Continuous tunnelling in rock under deep overburden necessitates - particularly when a tunnel boring machine (TBM) with shield is used - extensive consideration of the processes of stress transfer resulting from the advance of the tunnel. In order to design the constructional layout of the TBM, it must be possible to estimate the actions to be expected on the cutterhead, shield skin and shield tail.
Proven analytical calculation methods like the convergence confinement method are still in common use because of their simple application and deliver reliable results for the loading on the tunnel lining, but the variable equilibrium in the advance area is not sufficiently taken into account, although of decisive significance for the determination of the possible loading on the TBM - and thus for the assessment of the feasibility of the tunnelling method - and so a method is required, which can take this into account.
This paper starts with analytical and empirical modelling methods and describes ways of extending them and their scope of application. Rotationally symmetrical modelling methods, which are manageable in practice, are presented and their possible applications are explained. A particular feature is the possibility of simulating rapidly changing rock conditions, such as are encountered when tunnelling through fault zones.
Kontinuierliche Vortriebe im Fels unter hohen Überlagerungsverhältnissen erfordern - insbesondere im Hinblick auf den Einsatz von Tunnelbohrmaschinen (TBM) mit Schild - eine umfassende Betrachtung der vortriebsbedingten Spannungsumlagerungsprozesse. Dabei muss für eine zielgerichtete konstruktive Auslegung der TBM eine Einschätzung der zu erwartenden Einwirkungen im Bereich des Bohrkopfs, des Schildmantels und im Bereich des Schildschwanzes erfolgen.
Bewährte analytische Berechnungsmethoden wie Gebirgskennlinienverfahren sind auch heute aufgrund deren einfachen Anwendbarkeit noch weit verbreitet und liefern zuverlässige Ergebnisse für die Belastung der Tunnelauskleidung. Das veränderliche Gleichgewicht im Vortriebsbereich wird dabei aber ungenügend betrachtet. Dies ist jedoch für die Bewertung der möglichen Belastungen auf die TBM - und damit für die Bewertung der Machbarkeit des Vortriebs - von entscheidender Bedeutung und bedarf daher einer angemessenen Berücksichtigung.
Im Beitrag werden ausgehend von analytischen und empirischen Modellansätzen deren Erweiterungsmöglichkeiten und Anwendungsgrenzen aufgezeigt. Weiter werden in der Praxis gut handhabbare rotationssymmetrische numerische Modellvorstellungen vorgestellt und deren Anwendungsmöglichkeiten veranschaulicht. Insbesondere wird auf die Simulationsmöglichkeiten von rasch wechselnden Gebirgsverhältnissen eingegangen, wie sie bei der Durchörterung von Störungszonen auftreten.

This study proposes a new “health” evaluation system for fatigue cracks in orthotropic steel bridge decks by measuring the strain changes in the asphalt pavements on steel plate decks. In order to consider the applicability of this system, parametric FE analyses are carried out in which the types of crack, their positions and their lengths are varied. From these analytical results it was discovered that the strain changes in the asphalt pavement on steel plate decks due to the lengths and positions of cracks can be significant enough to be detected.

Dryfix masonry adhesive is celebrating its 10-year anniversary in 2014. The Dryfix system has been introduced to and approved in ten European countries: Austria, Germany, France, Poland, Italy, Slovenia, Croatia, Hungary, Slovakia and the Czech Republic. Every year, 25.000 housing units throughout Europe are built with Dryfix.
In addition to the mechanical properties of the polyurethane adhesive, the properties of building physics such as thermal insulation, fire resistance and sound insulation were investigated in connection with brick masonry. On the basis of sound and fire tests with brick masonry walls, it was possible to demonstrate that the material is equivalent to conventional materials. In addition, the thermal insulation of brick masonry is improved because of the joint-less bond of the blocks and the omission of the mortar joint which acts as a thermal bridge. This report is intended to summarise the status of the building physics assessment and optimisation achieved in order to provide secure data for the practical application of Dryfix masonry adhesive.

This study aims to present the details of an earthquake-based refurbishment for the historical masonry of Beylerbeyi Palace, which has masonry walls and timber floors. Both the linear and non-linear analyses of the three-storey structure have proven that the timber floor system of the palace causes the structural masonry walls to displace independently and not transmit lateral earthquake loads. One solution to this problem that was tried was the replacement of the timber floor system by steel truss floors. On the other hand, the historical importance of the palace and the minimum intervention principle in the refurbishment of the cultural building stock meant that this strategy had to be limited to the roof of the palace. In doing so, an easy installation process, an undamaged historical fabric and a reversible strategy was expected. In this respect, four different applications of steel floor systems have been investigated for the roof of Beylerbeyi Palace.

Scale deposit formation in drainage systems of railway tunnels represents a major challenge for their functionality and maintenance. The removal of these scale deposits causes high costs and restrictions of system availability. Effective measures to reduce scale deposit formation range from specification of the composition and structure of building materials to the application of tailored prevention and cleaning strategies. This requires advanced knowledge of the origin and type of scale deposits. The aim of this study is a systematic compilation, characterization, classification, and evaluation of scale deposits in relation to their formation mechanisms and the influence of variable environmental factors. The scale deposits from the 16 investigated tunnels mainly consist of the minerals calcite, aragonite, brucite as well as iron (hydr)oxides and detrital components. Four major types of scale deposits are distinguished: (i) unconsolidated-particulate, (ii) shard-like, (iii) porous, and (iv) compact scales. Types (ii) to (iv) show clear indications of microbial activity affecting the formation and appearance of individual deposits by various metabolic processes. The determining factors for the formation of scales - in addition to the geogenic composition of the aqueous solutions in the drainage system (groundwater / surface water) - are the variable interaction of these waters with the binding agents of the building materials used and the tunnel atmosphere. Geogenic conditions and technical-operational specifications of a tunnel determine the type and character of scale deposits, which can be actively influenced based on the case-specific reaction mechanisms by individual adaptations of environmental conditions.
Sinterbildungen in Drainagen von Eisenbahntunneln stellen für die Funktionalität und Instandhaltung des Entwässerungssystems eine große Herausforderung dar. Die Entfernung dieser Sinter verursacht neben hohen Kosten auch Einschränkungen der Anlagenverfügbarkeit. Wirkungsvolle Maßnahmen zur Reduzierung dieser Sinterbildungen reichen von gezielten bautechnischen Vorgaben für Baustoffe bis zum Einsatz von maßgeschneiderten Verhinderungs- und Reinigungsstrategien. Dies erfordert fundierte Kenntnisse über die Entstehungsmechanismen und die Typisierung der Sinter. Ziel dieser Studie ist die systematische Erfassung, Charakterisierung, Einteilung und Bewertung der Sinter in Hinblick auf deren Entstehungsmechanismen und den Einfluss von variablen Umgebungsfaktoren. Die Sinter aus 16 untersuchten Tunnelbauwerken bestehen vorwiegend aus Neubildungen der Minerale Kalzit, Aragonit, Brucit sowie Eisen(hydr)oxiden und detritischen Bestandteilen. Vier Sintertypen treten auf: (i) unverfestigt-partikuläre, (ii) scherbenartige, (iii) poröse und (iv) kompakte Sinter. Die Sintertypen (ii) bis (iv) zeigen deutliche Hinweise auf mikrobielle Aktivitäten, welche die Ausbildung der einzelnen Sinter durch verschiedene metabolische Prozesse beeinflussen können. Die bestimmenden Faktoren für die Bildung der Sinter sind - neben der geogenen Zusammensetzung der im Drainagesystem befindlichen wässrigen Lösungen (Grundwasser/Oberflächenwasser) - die Wechselwirkung dieser Wässer mit den Bindemittelphasen der verwendeten Baustoffe und mit der Tunnelatmosphäre. Geogene Randbedingungen und technisch-operative Vorgaben eines Tunnelbauwerks bestimmen die Art und Ausprägung des Sinters und können bei Kenntnis der fallspezifischen Reaktionsmechanismen durch individuelle Adaptierungen der Umgebungsbedingungen gezielt beeinflusst werden.

In Eurocode 3 the strength functions are derived from simple engineering models, which always require a certain degree of material ductility. With regard to high-strength steels and the accuracy of the design models themselves, several problems are involved due to a lack of sound consideration of the plastification and damage process. Additionally, the current ductility requirements of EC3 obstruct the use of high-strength steels with fy > 500 MPa. Within the current revision of EC3, comprehensive investigations have been conducted to overcome these obstacles. To complement extensive experimental tests, improved numerical methods considering damage mechanics have been used to predict the real plastification and damage process for relevant details. The numerical models were validated by comparing them with experimental results. Subsequently, a parametric study was conducted to investigate the influence of strength and toughness properties separately. It could be shown that the reduction factor of 0.9 to account for the net section resistance can be omitted if cracks can be excluded. Furthermore, it became clear that a strain requirement based on the uniform elongation &egr;u is not appropriate. Moreover, it was revealed that the yield ratio fu/fy has a significant impact on the toughness requirements necessary to reach the full net section resistance. Owing to a lack of minimum upper-shelf toughness requirements in delivery standards, which would secure an appropriate inner damage resistance of the material, a substitution criterion is proposed.

Clogging can be a massive problem during the mechanized excavation of tunnels. Soil conditioning with foams and/or polymers is normally used in these cases to decrease the adverse effect of clogging. In a research project the cone pull-out test was used to assess the variation of adherence for four sticky clays with four commercial additives. Results show that the additives have also an impact on the basic mechanical properties of the clays such as liquid limit, plasticity index and shrinkage limit. The tests were performed on the one hand by spraying the additives on the metal surface of the cone and on the other hand by directly mixing them to the clays to reach the critical consistency index (i.e. where the maximum adherence with water was observed). Sprayed cone tests show for two clays a decrease in adherence. However, by directly mixing the additives to the clay, adherence considerably decreases, except for one kaolinitic clay. The results can be useful to select suitable additives or to develop new ones considering the geotechnical and mineralogical properties of the excavated clays.

Scour of jointed rock is an important safety issue for dams worldwide, with the cases of Kariba Dam and Ricobayo Dam illustrating the severe consequences of dam and spillway foundation erosion. Leading state-of-the-practice methods for assessing rock scour, such as the Erodibility Index Method and Comprehensive Scour Model, consider the influence of rock mass jointing on scour development, but current models have yet to fully consider the three dimensional mechanics and kinematics of rock block removal.
This contribution introduces the Block Scour Spectrum (BSS), a three dimensional analytic approach for determining the resistance rock blocks offer to removal when subjected to hydraulic flow or jet impingement. With the BSS, the resistance offered by different block types comprising the rock mass is determined as a function of resultant block loading direction. The results obtained can be used to optimize spillway direction or anchoring schemes. Application of the BSS is illustrated with a case study of spillway scour at the Ricobayo Dam in Zamora, Spain.
Die Kolkbildung in geklüftetem Fels ist ein bedeutendes Sicherheitsproblem für Talsperren in der ganzen Welt. Die schwerwiegenden Auswirkungen der Erosion im Gründungsbereich von Talsperren und Entlastungsbauwerken können anhand der Kariba-Talsperre und der Ricobayo-Talsperre anschaulich betrachtet werden. Die gängigsten Methoden zur Beurteilung der Kolkbildung im Fels wie die Erodibility Index Methode und das Comprehensive Scour Model berücksichtigen zwar den Einfluss der Klüftung auf die Kolkentwicklung, jedoch nicht die dreidimensionale Mechanik und Kinematik der Felsblockablösung.
In diesem Beitrag wird das Block Scour Spectrum (BSS) vorgestellt, ein dreidimensionaler analytischer Ansatz zur Bestimmung des Widerstands von Felsblöcken gegenüber einer Beanspruchung durch einen hydraulischen Abfluss oder das Auftreffen eines Wasserstrahls. Mit dem BSS kann der Widerstand unterschiedlicher Blocktypen eines Felsverbandes und als eine Funktion der resultierenden Belastungsrichtung bestimmt werden. Die Ergebnisse können anschließend genutzt werden, um beispielsweise die Ausrichtung der Entlastungsrinne oder Verankerungsmaßnahmen zu optimieren. Die Anwendung des BSS wird am Beispiel der Ricobayo-Talsperre in Zamora, Spanien, veranschaulicht, deren Entlastungsrinne durch Kolkbildung massiv beschädigt wurde.