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Concrete has become the most used material on Earth over the 200 years following the invention of modern cement. The design concept has undergone a transition from the allowable-stress design method, limit-state design method, to the performance-based design method, in response to the evolution of materials, sophistication of experimental facilities, and advancement of computation skills. From the issues on resources and energy depletion, global warming, and resilience etc., it is necessary to create a new design framework taking into consideration the required performance beyond the conventional concept, in order to construct infrastructure and buildings in a more rational way. In other words, we should construct a design system that sets the continued existence of the diverse and rich global environment as its most important criterion of value. In this paper, we review the design and technology system developed in the past and discuss it based on the above-mentioned new viewpoint, while constructing and presenting a new design system for concrete structures, focusing mainly on the concept of sustainability, which is regarded as the most important factor in achieving conservation of Earth's rich resources as well as sound socio-economic activities of humankind in the future, and we examine its feasibility.

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Das Rheinstahl-Hochhaus war das erste Hochhaus in Essen und prägte mit seinem International Style als Fortführung der Moderne die Vorstellung von zurückhaltenden Unternehmenssitzen. Ausgehend vom architektonischen Kontext [1] wird hier insbesondere auf Statik und Konstruktion des Stahlskelettbaus sowie der Fassade eingegangen, basierend auf der Arbeit des Ingenieurs Heinrich Schulte-Ebbert [2]. Weiterhin wird die Revitalisierung kurz erläutert.

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Die Zeitabhängigkeit der Variablen erschwert die Untersuchungen in der Zuverlässigkeitstheorie erheblich. Zuerst wird gezeigt, wie der Übergang vom Zeitverlauf zur Verteilungsfunktion der Momentanwerte vollzogen werden kann und wie in der Zuverlässigkeitstheorie die Ausfallrate definiert wird. Die eigentliche Zeitabhängigkeit der Variablen wird durch die Theorie der Zufallsfunktionen beschrieben. X(t) ist eine Zufallsfunktion, wenn der Wert von X zu einem festen Zeitpunkt t eine Zufallsvariable darstellt. Die Zufallsfunktionen sollten in instationäre, stationäre und ergodische Prozesse klassifiziert werden. Die Berechnungen mit Zufallsfunktionen können sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich ausgeführt werden. Die Fourier-Transformation stellt die Verbindung zwischen Zeit- und Frequenzbereich her. Die Formulierung der Spektraldichte für die Erdbebenerregung nach EC 8 wird diskutiert.

Beim Einsatz geklebter Verbindungen sind verschiedene Gesichtspunkte zu beachten: die Klebstoffsysteme unter Berücksichtigung der Substratwerkstoffe und der Oberflächenzustände, die Bemessung unter Beachtung der permanenten und transienten Einwirkungen sowie die Ausführung. Alle drei Bereiche haben Einfluss auf die Zuverlässigkeit. In puncto Berechnung jedoch wird dem wirklichen mechanischen Verhalten der Klebfuge in der Praxis nicht Rechnung getragen. Die derzeit verwendeten Ingenieurmodelle schlagen auch bei Berücksichtigung von lokalen Spannungsspitzen häufig fehl. Das ist mit ein Grund für sehr hohe Sicherheitsfaktoren. Der vorliegende Artikel erläutert die für den Bauingenieur relevanten Berechnungsansätze. Weiter werden Möglichkeiten diskutiert, wie die Berechnung von hyperelastischem, aber auch elastoplastischem Klebstoffverhalten, basierend auf dem Spannungszustand von energetischen Ansätzen in gewohnte Gleichgewichtsansätze überführt werden können.

Design of bonded joints from the viewpoint of structural steel engineering.
Using bonded joints different issues should be considered: the adhesive bonding systems, taking into account of the substrate and the surface conditions, the design considering permanent and transient actions and the fabrication of the bonding. All of these issues have impact on the reliability often being challenged. One reason is the fact that the real mechanical material behaviour is not considered correctly, so that in practice the calculation results are deviating from the real ones yielding to high safety factors. This paper shows calculation approaches relevant for the structural engineer. Furthermore, options are discussed how hyperelastic as well as elastoplastic descriptions of the adhesive's mechanical behaviour, based on the stress-state, can be transformed from the energetic formulation into a more familiar equilibrium oriented formulation.

Concrete construction is becoming increasingly complex and the importance of producing structures that are both cost effective and durable in the long term has never been higher. Therefore, an understanding of concrete durability is considered fundamental to determine the service life of new or existing structures. However, at present a significant number of existing concrete structures and bridges have already been deteriorated by a chemo-mechanical process known as Delayed Ettringite Formation (DEF). This phenomenon causes expansion of the affected concrete, generally leading to cracking and a decrease of its mechanical properties. The disease or deterioration mechanism therefore induces serious problems regarding serviceability, sustainable operation and structural integrity, which makes it necessary to apply predictive models able to re-assess the mechanical state of the affected structures. In this way, chemo-mechanical modelling must be performed considering the influence of humidity, stiffness reduction and stress in the development of expansion.
The elaborated 3D model was applied to an existing viaduct affected by DEF. The displacements and stresses were computed based on the experimental data obtained from the in-situ measurements. The computed results highlight the relationship between the saturation degree and the expansion. Finally, comparisons between different calculations with and without considering the anisotropy of expansion and stiffness reduction are presented and discussed.

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Bedingt durch ein großes Parameterfeld und instationäre Temperatur- und Dehnungsverteilungen erscheint der Prozess des Flammrichtens relativ komplex. So basiert das Flammrichten bis heute insbesondere hinsichtlich der erzielbaren Verformungen eher auf - wenn auch plausiblen - Erfahrungswerten als auf ingenieurtechnischen Ansätzen. Hinsichtlich der Materialbeeinflussung existieren hingegen technische Regeln, die Festigkeits- und Zähigkeitseinbußen ausschließen sollen. Bei Einsatz hochfester Sorten verändern sich jedoch die Verhältnisse im Vergleich zu normalfesten Stählen, denn mit zunehmender Streckgrenze werden die erzielbaren Verformungen kleiner. Zum Ausgleich dieses Effekts werden oft höhere Temperaturen und Haltezeiten gewählt, was jedoch das Risiko einer Materialbeeinflussung erhöht. Für das Flammrichten hoch- und höchstfester Stähle sind also solche Konstellationen zu erforschen, die zu einem nach wie vor einfachen und sicheren Ergebnis führen. Dies zeigt der vorliegende Beitrag in zwei Teilen, indem er die werkstofftechnischen Mechanismen für das Flammrichten auch bei hohen Streckgrenzen klärt. Ausgehend davon werden Anwendungskorridore abgeleitet und Vorschläge für die Verbesserung bestehender Regeln gemacht.
Im ersten Teil dieses Beitrags in der Stahlbau [1] wurden das Prinzip des Flammrichtens normal- und hochfester Stähle nebst den Zusammenhängen zwischen Thermodynamik, Metallurgie und Mechanik vorgestellt sowie die experimentelle und numerische Ermittlung des Wärmeeintrags und der Temperaturfelder gezeigt.
Der nun vorliegende zweite Teil widmet sich den Verformungen und Zwangsmomenten aus dem Flammrichtprozess, der Beeinflussung des Materials durch die Temperaturzyklen und einem Beispiel zur Vorhersage der Flammrichtergebnisse.

Flame straightening of normal and high strength steels - part 2
Due to many parameters and transient temperature and strain distributions, the process of flame straightening appears to be rather complex. In practice, flame straightening actually bases on experience rather than on engineering approaches. In contrast, regarding the impact on material, technical rules are existing deemed to exclude strength and toughness reduction. However, compared to mild steels, high strength structural steels require more detailed or even additional guidance. For the achievable remaining deformations are getting smaller the higher the yield strength is. To compensate this effect, one often chooses higher temperatures and longer holding times. This however increases the risk of material degradation. Consequently, if we strive at an easy and efficient flame straightening also for high strength steels, suitable parameter constellations need to be investigated leading to safe results as before. The paper consists of two parts and explains how to achieve this by first explaining the material related mechanisms of flame straightening and then showing application corridors. In addition, it suggests improved guidance when using high strength steels.
In the first part [1], the principles of flame straightening of normal and high strength steels and the interrelation of thermodynamics, metallurgy and mechanics are presented. Furthermore, the determination of heat input and temperature by experimental and numerical means are shown.
The second part deals with the deformations and forces arising from the flame straightening process, the influence on the material and the prediction of relevant parameters of the flame straightening process.

Die Radlasten von Brückenlaufkranen werden über Kranschienen in die unterstützenden Kranbahnträger eingeleitet. Für viele Anwendungen ist es ausreichend, Flach- oder Vierkantstäbe als Kranschienen zu verwenden und auf den Kranbahnträgern mit in Trägerlängsrichtung durchgehenden Doppelkehlnähten zu befestigen. Mit der Einführung der europäischen Stahlbaunormen (Eurocode 3) im Jahr 2010 hat sich die ansetzbare Ermüdungsfestigkeit der Konstruktionsdetails mit Radlasteinleitung, zu denen die Schienenschweißnähte zählen, erheblich reduziert. Es wird ein Bemessungsvorschlag vorgestellt, der sich erstmals auf realitätsnahe Ermüdungsversuche an Schienenschweißnähten abstützen kann und eine wirtschaftlichere Dimensionierung hinsichtlich Ermüdung gestattet.

Welded rectangular and square rails of crane runway beams - fatigue evaluation of rail fastening welds.
The wheel loads of overhead travelling cranes are introduced through crane rails into the supporting crane runway beams. For many applications, it is sufficient to use rectangular or square bars as crane rails fastened to the crane runway beams by continuous double fillet welds. By introducing the European steel design standards (Eurocode 3) in 2010, the nominal fatigue strength of the constructional details with wheel load application including the crane rail welds suffered an essential reduction. A proposal that allows a more efficient fatigue design is presented supported by realistic fatigue tests on crane rail welds.

Das Tragverhalten der Verbunddübelleiste bei statischer Beanspruchung ist weitestgehend erforscht [1], sodass Verbundkonstruktionen mit Verbunddübelleisten nach den Regeln der entsprechenden Allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung [2] bemessen werden können. Das Ermüdungskonzept der Verbunddübelleiste zielt jedoch bislang stark vereinfachend darauf ab, jegliche Ermüdungsschäden der Verbundpartner Stahl und Beton auszuschließen. Eine Erweiterung des Ermüdungskonzepts durch die Berücksichtigung von Resttragfähigkeiten angerissener Stahlzähne sowie von Kraftumlagerungen im Träger hin zu weniger belasteten Verbunddübel birgt große ökonomische Potentiale und ist Ziel eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Projekts.
Im ersten Schritt soll dabei das Ermüdungsverhalten eines einzigen Verbunddübels in Kleinteilversuchen untersucht werden. Um die Kraft- und Spannungsverhältnisse innerhalb eines Verbundträgers möglichst exakt mit den Kleinteilversuchen wiederzugeben, wurde ein neuer Single-Push-Out-Versuchsstand entwickelt, in dem durch eine Schrägstellung des Prüfkörpers die Lasteinleitung, die resultierende Kraftübertragung zwischen Stahl und Beton und die Auflagerkraft in einer Wirkungslinie liegen. Anhand von FE-Untersuchungen kann so gezeigt werden, dass sowohl die Spannungsverteilungen im Stahlzahn als auch der Kraft-Schlupf-Verlauf eines Verbunddübels in Kleinteilversuch und Verbundträger übereinstimmen.

Development of a new single push-out test for composite dowels to analyse cyclic loading.
The load-bearing capacity of composite dowels under static loading has been researched comprehensively [1], so that composite constructions with composite dowels can be dimensioned according to the rules of the corresponding German technical approval [2]. However, the fatigue concept of composite dowels is greatly simplified to prevent any fatigue damage of steel and concrete. An extension of the fatigue concept by taking into account the residual carrying capacities of cracked steel dowels as well as a redistribution of forces in composite beams towards less stressed dowels has great economic potential and is the goal of a project funded by the German research society.
In the first step, the fatigue behaviour of a single composite dowel is investigated. A new angled single-push-out test was developed in order to reproduce the force and stress ratios within a composite beam as precisely as possible, in which the load introduction, the resulting force transmission between steel and concrete and the reaction force have the same line of action. On the basis of FE investigations, it can be shown that the stress distributions in the steel dowel as well as the force-slip-curve of a composite dowel in small part tests and composite beams coincide.

The correlations among selected parameters of concrete were investigated for concrete mixes of the strength classes C20/25, C25/30, C30/37, C40/50 and C50/60. The focus was laid on correlations between basic mechanical parameters such as compressive strength, tensile strength and modulus of elasticity as well as parameters related to concrete fracture, represented here by specific fracture energy. Laboratory tests examining the fracture behaviour and mechanical properties were carried out in order to determine the fundamental concrete parameters. In particular, standard compression tests on test cubes and three-point bending tests on beams with central edge notch were performed. Additional material parameters were identified using the inverse analysis technique. Finally, correlation factors between different parameters of concrete were identified using the rank-order correlation method.

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Die alte Comeniusbrücke über die Elbe aus dem Jahr 1886, die das historische Zentrum der Stadt mit einem neueren Stadtteil auf dem rechten Ufer des Flusses verband, wurde im Juni 2013 vom Hochwasser zerstört. Das Autorenteam siegte in einem zur Erneuerung der Brücke ausgelobten Architektenwettbewerb mit einem ungewöhnlichen Entwurf eines dreiseitig vorgespannten Balkens. Aufgrund ihrer Subtilität fand diese Konstruktion vor allem bei den Vertretern der Denkmalpflege großen Zuspruch, denn sie versprach, das historische Stadtpanorama nur minimal zu beeinträchtigen. Die neue Brücke dient dem Fußgänger- und Fahrradverkehr sowie den Fahrzeugen der Unterhaltung bis zu 3,5 t Gesamtgewicht. Darüber hinaus dient sie als Träger für die Wasserleitung und die Leitungen der öffentlichen Beleuchtung. Sie ist 61, 50 m lang und überspannt zwischen den Lagern 59,50 m.

The new Comenius Bridge in Jarom/Czech Republic.
The old Comenius Bridge was constructed over the River Elbe in 1886. It connected the historical centre of the town with the new right-bank district, but was destroyed by floods in June 2013. The present authors won the architectural competition with their unusual concept of a three-side pre-stressed beam to replace the original. The filigree structure impressed national heritage representatives because it offers almost completely undisturbed views of the historical panorama. The new bridge is designed for the use of pedestrians and cyclists; access is also permitted for maintenance vehicles of up to 3.5 t. It also carries water supply piping and public lighting cables. The bridge is 61.50 m long and the span between supports is 59.50 m.

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Bauen in Stein und Ziegel ist in Ägypten fast schlagartig aufgenommen worden, mit Beginn der III. Dynastie (nach 2700 v. Chr.), und es wurden mit einer Reihe bautechnischer Erfindungen sehr schnell bauliche Leistungen von Weltgeltung erreicht. Während die Wortforschung nach dem "warum" fragt, ist die Frage nach dem "wie" noch weitgehend ungestellt. Bauen als neue Tätigkeit einer beginnenden Zivilisation zeigt das Entstehen von Formen aus der Bautechnik, und diese erweist sich als Anwendung wissenschaftlicher Kenntnisse; dazu einige neue Nachweise. Die bisher auf Lehrbuchrechnungen erhaltener Papyri angewiesene mathematikgeschichtliche Forschung erhält mit datierbaren Bauwerken eine neue Grundlage.

Im Streckennetz der DB Netz AG befinden sich über 25 000 Eisenbahnbrücken. Zur Gewährleistung der Sicherheit beim Befahren der Brücken sind neben regelmäßigen Kontrollen durch entsprechend geschultes Fachpersonal Nachrechnungen in Bezug auf Tragsicherheit und Restnutzungsdauer erforderlich. Bereits im Jahre 1923 wurde nach Gründung der Deutschen Reichsbahn eine Abteilung Brückenmesswesen beim Zentralamt in Berlin geschaffen, um wirksam die Lösung der vielschichtigen brückentechnischen Fragen zu unterstützen. Messungen direkt am Bauwerk geben Aufschluss über das Systemverhalten unter den realen Bedingungen und ermöglichen damit eine objektive Beurteilung der Trag- und Ermüdungsreserven.

The department of bridge measurement of DB Netz AG.
Over 25 000 railway bridges lie within the route network of the DB Net AG. The safe use of these bridges is ensured through regular checks by trained personal and is augmented by calculations regarding structural safety, fatigue and residual lifetime. In 1923, only 3 years after the foundation of the Deutsche Reichsbahn, a specialized department was founded at the Berlin headquarters to effectively address the complex technical issues relating to railway bridges. In-situ direct measurements provide information of the complete system's behavior under real life conditions enabling objective assessments.

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Der Beitrag beschäftigt sich mit dem Themenfeld des “elementierten Stukturleichtbaus” - hauptsächlich unter Verwendung von offenen Stahlprofilen in Kombination mit Spannbetondeckenelementen (weiterführende Überlegungen ersetzen aber auch noch diese, bspw. durch Brettstapeldecken).
Ein weiteres Detailmerkmal besteht darin, dass innerhalb der Struktur entstehende Kräfte nicht “gebündelt” werden, um sie wenig später vor der Einleitung in den Baugrund wieder zu verteilen, sondern ähnlich dem Prinzip einer Rennradfelge mit sehr vielen, aber äußerst schlanken Speichen die Lasten dort abzutragen, wo sie entstehen.
So kann es bspw. gelingen, dass die vertikalen Tragelemente des sog. “Primärtragwerkes” den Strukturabmessungen von Fassadenprofilen sehr stark nahe kommen - bis zu dem Punkt, diese zu ersetzen. Die Fassade erhält somit gar kein eigenes Tragsystem, sondern wird nur mittels “Aufsatzprofilen” integriert.
Das gewählte System zeichnet sich weiterhin auch dadurch aus, dass es gleichzeitig die endgültige Element-/Oberfläche des “Endausbaus” bildet. Es wird nicht verkleidet.
Bestimmte Voraussetzungen müssen hierfür stets erfüllt werden - der konzeptionelle Brandschutz muss eine F0- oder zumindest nur eine F30-Konstruktion zulassen, das Aussteifungskonzept sollte weitestgehend ohne Einspannungen auskommen sowie der weitere technische und baukonstruktive Gebäudeausbau sollte diese “strukturelle Direktheit” aufgreifen. Auch der Schallschutz muss auf diese Art des Leichtbaus reagieren - so würden die verwendeten Betonfertigteildecken z. B. nur einer vergleichsweise 11 cm starken massiven Ortbetondeckenplatte entsprechen. Diese geringe Eigenlast ist aber wiederum Voraussetzung für die äußerst filigrane weiterführende lastabtragende Konstruktion.
Sichtbar wird hierbei der unabdingbare Zusammenhang zwischen konstruktiv bedingter “Eigenlast” und der gewählten zugehörigen lastabtragenden Struktur.

On designing lightweight force paths - with the example of the extension to the Transport Department building Kißlegg.
This article addresses the topic “the design of modular lightweight structures” - using primarily open steel profiles in combination with prestressed concrete slab elements (further considerations, however, even replace these, for example, with slabs in the brettstapel system).
A further design feature consists of forces that arise within the structure not being “bundled” for later distribution prior to being introduced into the ground. Instead, similar to the principle of the rim of a racing bike with many but extremely thin spikes, loads are transferred at the point where they arise.
For example, it may happen that the vertical structural elements of what is referred to as the “primary load-bearing structure” may come so close to the structural dimensions of facade profiles to the point of actually replacing them. Therefore, the façade does not have its own structural system but is integrated only by way of “add-on profiles”.
An additional feature of the chosen system is the fact that it is also the final element/surface of the “inal expansion phase”. It will not be clad.
Certain requirements always have to be fulfilled to achieve this. The fire protection concept has to provide for class F0 design or at the very least only permit an F30 structure, the stiffening concept should be achieved without clamping as far as possible and the additional technical and construction extension is intended to take up this “structural directness”. The sound insulation also has to react to this type of lightweight structure. For example, the precast concrete slabs used would only correspond to a comparable 11 cm thick solid in-situ concrete slab. However, this low dead load is, in turn, a requirement for the extremely delicate, continuous load-bearing design.
The indispensable connection between the design “dead load” and the chosen associated load-bearing structure becomes visible in this case.

Vom Verfasser wird eine neue empirische Näherungsmethode für den statischen Nachweis eines im Stahlbetonköcher eingespannten I-Stahlprofilstabs, der im Anschnitt mit den ruhenden Gebrauchslasten M, N und H belastet ist, mit Hilfe des im Stahlbau üblichen Traglastverfahrens entwickelt, die nach den Angaben des Verfassers auf der sicheren Seite liegt, aber auch leicht zu programmieren ist.

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