Für die Luftschiffproduktion der CargoLifter AG entsteht in Brand, südlich von Berlin, die größte Luftschiffhalle der Welt. Für die Konstruktion aus Stahl und Membran haben die Ingenieure von Ove Arup Deutschland zusammen mit den Architekten von SIAT München ein funktionelles Tragwerk entworfen. Dieser Beitrag beschreibt die Entwurfsbedingungen, den konstruktiven Entwurf sowie die Berechnung des Tragwerks und ordnet die Luftschiffhalle in Brand in den baugeschichtlichen Zusammenhang der Luftschiffhallen ein.

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Die Abschätzung der Langzeitverformungen für Gründungen von Offshore- Windenergieanlagen (OWEA) stellt ein nach wie vor ungelöstes Problem dar. Für einzelne Gründungstypen (z. B. Monopiles) wurden zwischenzeitlich einfache Rechenmodelle vorgeschlagen, deren Validierung jedoch - wie auch im Fall der in diesem Beitrag beschriebenen Methode - für den Prototyp-Maßstab noch aussteht. Der Beitrag beschreibt die Abschätzung der Langzeitverformungen von OWEA-Gründungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FE) unter Anwendung eines speziell für hochzyklische Belastungen entwickelten Akkumulationsmodells. Die Vorteile gegenüber den einfachen Ingenieurmodellen liegen u. a. in der Anwendbarkeit auf beliebige Gründungssysteme und -geometrien (für Monopiles und Flachgründungen geeignet) sowie in der bodenmechanisch fundierten Beschreibung des Stoffverhaltens auf Basis zahlreicher zyklischer Laborversuche. Im Gegensatz zu Modellen mit entkoppelten Federn werden die Interaktion benachbarter Bodenbereiche sowie Zustandsänderungen im Boden während der zyklischen Belastung berücksichtigt. Nach einer einfachen Darstellung der Rechenprozedur und der Gleichungen werden die Kalibrierung der Materialparameter aus zyklischen Versuchen am Beispiel eines offshore-typischen Feinsandes sowie die vereinfachte Abschätzung der Parameter anhand der Korngrößenverteilungskurve erläutert. Neben einer Diskussion der Vorgehensweise für Zyklenpakete werden exemplarische FE-Berechnungen an Monopile- und Schwergewichtsgründungen gezeigt.

Prediction of long-term deformations for offshore wind power plant foundations using an accumulation model.
The estimation of long-term deformations for offshore wind power plant foundations (OWPP) is still an unsolved problem. For certain foundation types (e.g. monopiles) simple models have been proposed which still have to be validated for the prototype scale - similar to the method proposed in this paper. The paper describes the estimation of long-term deformations of OWPP foundations by means of the finite-element method (FE) using an accumulation model specially developed for high-cyclic loading. The advantages, compared to the simple engineering models, are the applicability to arbitrary foundation systems and geometries (applicable to monopiles and shallow foundations) and the sound description of soil behaviour based on numerous cyclic laboratory tests. In contrast to models using decoupled springs, the interaction between adjacent soil zones and changes of the soil state parameters during cyclic loading are considered. After a simple presentation of the calculation strategy and the model equations, the calibration of the material parameters from cyclic tests is shown exemplary for an offshore-typical fine sand. The simplified estimation of the parameters based on the grain size distribution curve is also explained. Beside a discussion of the procedure for packages of cycles, exemplary FE-calculations of monopile and gravity foundations are shown.

Es wird ein Berechnungsmodell zur quantitativen Bestimmung der Netto-Tausetzung sowie der Druck-Porenzahl-Beziehung bei Weiterbelastung nach dem Auftauen feinkörniger Böden vorgestellt. Der Ansatz berücksichtigt die Inhomogenität der Veränderung des Bodengefüges infolge der Vereisung. Hierbei wird der Boden vereinfachend in zwei Bereiche unterteilt. Nach dem Modell wird ein Teil des Bodens mit einer rechnerischen Auflast, die der Summe der komprimierenden Vorgänge während der Bodenvereisung äquivalent ist, verdichtet. Für den übrigen Teil wird angenommen, dass er von der Vereisung unbeeinflusst bleibt. Die mit Hilfe des Modells ermittelten Berechnungsergebnisse stehen in sehr guter Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen. Der große Vorteil des Berechnungsansatzes liegt darin, dass eine zuverlässige Prognose der Kompressionseigenschaften des aufgetauten Bodens allein mit den Ergebnissen von Standard-Laborversuchen möglich ist.

A model for the estimation of the thaw-settlements and the compressibility properties of thawed soils.
A mathematical model is presented which allows the quantitative calculation of the net thaw-settlement as well as of the pressure-void ratio relation at continued loading of fine grained soils after thawing. The approach takes into account the inhomogeneity of the change of the soil fabric caused by freezing. For this purpose, the soil is being divided into two parts, which is a simplification of the real situation. In the model, one part of the soil is being compacted with a load that is equivalent to the sum of all compressing processes during ground freezing. For the rest of the soil, it is assumed that it remains unaffected by freezing. The calculation results obtained by the model show good agreement with the results of laboratory tests. The great advantage of the introduced approach is that the compression properties of thawed soil can be reliably predicted just based on the results of standard laboratory tests.

Bezüglich der Bruchbilder von Platten wird gewöhnlich angenommen, daß die den Ecken zulaufenden Bruchlinien sich entlang der Winkelhalbierenden ausbilden ("45°-Annahme" bei Rechteckplatten), was allerdings eine oft recht grobe Annäherung darstellt. Auch bleiben mitunter einzelne Plattenbereiche (hier als "tot" bezeichnet) von der globalen Tragwirkung ausgeschlossen. Der "genaue" Bruchmodus kann über die Errechnung bruchbildbestimmender Prarameter xi anhand von Energiesätzen abgeleitet werden. Ein Beispiel liefert die isotrope Quadratplatte unter Gleichlast bzw. mittiger Einzellast, deren hinlänglich bekanntes m = pa2/24 bzw. m = P/8 kräftig nach oben korrigiert werden müßte. Die allgemeine Vernachlässigung der Torsionsmomente in der Tragberechnung von Platten stellt aber nach Meinung des Verfassers einen hinlänglichen Ausgleich dieser Ungenauigkeit dar.

In Deutschland nähert sich die Brückengeneration der Nachkriegszeit dem Ende ihrer geplanten Lebensdauer. Daher haben die Bundesregierung und die Straßenbauämter der Länder umfangreiche Infrastrukturprojekte in die Wege geleitet, um den Brückenbestand zu beurteilen und anschließend, falls erforderlich, Verstärkungen oder Ersatzneubauten vorzunehmen. Häufig muss dabei die Nutzungsdauer von maroden Brücken bis zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme eines Ersatzneubaus ausgedehnt werden. Am Beispiel von drei Talbrücken werden wirksame Maßnahmen zur Verstärkung und Verlängerung der Nutzungsdauer von Bestandsbrücken präsentiert. Das erste Beispiel zeigt, wie mittels externer Vorspannung die Ermüdungstragfähigkeit einer 50 Jahre alten Spannbetonbrücke gesteigert werden konnte. Eine zweite Talbrücke mit Defiziten im Bereich der Querkrafttragfähigkeit wurde durch geneigte Stahlstreben an den Pfeilern verstärkt, die durch verbleibende Hydraulikpressen aktiviert werden. Der Einfluss von Zwangsbeanspruchungen durch das unterschiedliche Werkstoffverhalten wird durch Federelemente reduziert. Kritische Stegbereiche wurden durch zusätzliche Bügel verstärkt und mit Aufbeton geschützt. Beim dritten Bauwerk traten Ermüdungserscheinungen an den Koppelfugen auf. Durch die Unterstützung der kritischen Koppelfugen konnte jedoch die Nutzungsdauer verlängert werden. Eine Waagebalkenkonstruktion mit Gegengewichten, die auf einem Stahlturm angebracht ist, gewährleistet hierbei eine konstante Kraft.

Strengthening strategies of reinforced concrete bridges
An entire generation of reinforced concrete highway bridges built in the post-war period in Germany is currently approaching the end of its service life. Realizing this, the federal government and regional highway administrations engage in extensive infrastructural investments to reassess and thereafter to strengthen or replace these structures. Often the service life of decaying bridges has to be extended, until such a replacement becomes available. Using the examples of three highway viaducts, efficient strategies to strengthen or to prolong the service life of existing structures will be presented. In the first example the efficient usage of external tendons to reduce the danger of a fatigue induced failure of a 50 years old prestressed concrete bridge is shown. A second viaduct showing inadequate shear resistance has been enhanced by installing inclined steel struts at the piers, which are activated by built-in hydraulic jacks, while spring elements reduce the effect of imposed deformations due to the different material behaviour. Additionally in critical areas of the webs additional shear reinforcement, covered by a concrete layer, is mounted. The third bridge was showing signs of fatigue at the coupling joints. The lifespan could however be sufficiently prolonged by supporting the critical coupling joints with a predetermined force. The magnitude of the force is maintained constant by a balanced beam resembling a seesaw, which is mounted on a steel tower and fitted at its opposite end with counterweights.

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Die Verbindung mit biegesteifem Stirnplattenanschluss wird im Stahlhochbau häufig angewendet. Auch bei Kranbahnen kleinerer und mittlerer Bauart können Stirnplattenverbindungen als Trägerstöße im Feldbereich Anwendung finden. Da diese Verbindungen und ihre Komponenten durch den Kranbetrieb mit zeitlich veränderlichen Belastungen beansprucht werden, ist eine rein statische Berechnung und Bemessung unzureichend, vielmehr muss der Nachweis der Betriebsfestigkeit erbracht werden. Um die Eigenschaften dieser Verbindungen unter sich wiederholender Belastung zu untersuchen, wurden zwölf Stirnplattenverbindungen mit gleitfest vorgespannten Schraubenverbindungen mit Hilfe des Kerbspannungskonzeptes bemessen und anschließend im Rahmen von zyklischen Versuchsserien bis zum Anriss beansprucht. Aus der statistischen Auswertung der Versuchsergebnisse konnte ein Kerbfall für die Schweißverbindung rückgerechnet und mit dem Kerbfall FAT 225 des Kerbspannungskonzeptes verglichen werden. Die Bemessung der Ermüdungsfestigkeit der Schraubenverbindungen erfolgte mit Hilfe des Nennspannungskonzeptes.

Fatigue strength at end plate connections - Experimental and numerical Investigations.
The application of head plate connections is a popular approach in steel construction. In crane construction the connection between parts of a crane runway girder can also be realized with such rigid connections. As a crane has to complete tasks in a moving fashion, a pure static dimensioning is insufficient. The fatigue strength of these components has to be evaluated. For this purpose, twelve of these joints were analyzed using the effective notch stress approach and were put under stress in a series of fatigue tests. Consequently, a FAT value could be determined and this value was compared to the FAT 225 value of the effective notch stress concept. The fatigue behavior of the pre-stressed bolts was examined using the nominal stress concept.

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In neuester Literatur werden Zweifel geäußert, ob die in DIN 18800 und Eurocode 3 verwendete Winter-Kurve ausreichend den Einfluß von Imperfektionen auf das Tragverhalten normalspannungsbeanspruchter, beulgefährdeter Querschnittselemente berücksichtigt. Basierend auf früheren Forschungsarbeiten und eigenen Untersuchungen werden Einflüsse der Lagerung, des Seitenverhältnisses und von Eigenspannungen auf die Traglast diskutiert. Es ergibt sich ein Widerspruch zwischen numerisch ermittelten Traglasten und den empirischen Erfahrungswerten. Dieser kann nur dadurch aufgelöst werden, daß anstatt von schlimmstmöglichen, nur anregende Imperfektionen in Ansatz gebracht werden. Eine Zuschärfung der in den Normen verwendeten Beulkurven wird als nicht notwendig erachtet.

Mikroskopische Imperfektionen im Werkstoff führen dazu, dass die Werte mechanischer Eigenschaften von Bauteilen gewissen Auftretenswahrscheinlichkeiten unterliegen. Mit zunehmendem Volumen erhöht sich die Anzahl der mikroskopischen Defekte, was sich direkt in einer veränderten makroskopischen Festigkeit niederschlägt. Dieses Phänomen ist unter der Bezeichnung statistischer Maßstabseffekt bekannt. Eine solche Maßstabsabhängigkeit kann durch ein stochastisches Werkstoffmodell gut erfasst werden. In diesem Beitrag wurde das Bündel-Kettenglied-Modell, das auf einem stochastischen Werkstoffmodell nach Weibull- und Lognormalverteilung basiert, entwickelt und eine Möglichkeit zur Bestimmung des statistischen Maßstabseffekts durch numerische Verfahren angegeben. Um den statistischen Maßstabseffekt im Stahlbau zu demonstrieren, werden die Biegeversuche mit unterschiedlichen Probengrößen durchgeführt. Dieser Beitrag beschreibt - als erster von zwei Teilen - Forschungsergebnisse über den statistischen Maßstabseffekt und die entsprechende Zuverlässigkeit im Stahlbau.

Statistical size effect and corresponding influence for reliability in steel structures - part 1: model and experiment
In steel structures, the elastic and plastic design is widely used. At the same time, it is certain that the yield strength of steel is variable because of uncertainties and spatial variability in nature. If the volume of structural component increases, the number of microscopic defects correspondingly increases, so that the macroscopic material strength also changes. This phenomenon is called statistical size effect. A new stochastic material model, which is based on Weibull and lognormal distribution, is proposed and a possibility for determining the statistical size effect by numerical methods is developed. To demonstrate the statistical size effect in steel structures, bending tests are carried out with different specimen sizes. This paper presents - as the first of two parts - research results about the statistical size effect and the corresponding reliability in steel structures.

Das Interesse an freien Formen in der Architektur und im Industriedesign nimmt immer stärker zu. Für komplex geformte Strukturen sind faserbasierte Werkstoffe nahezu prädestiniert und bieten gegenüber klassischen Materialien im Bauwesen etliche Vorteile. Dennoch finden diese Materialien nur in seltenen Fällen Einzug in das Bauwesen. Die Abbildung von Geometrie und Materialität stellt dabei eine erhebliche Komplexität dar. Aus diesem Grund wurden von den Autoren neue bionische und multidisziplinäre Ansätze verfolgt, die es erlauben, das Potenzial des Materials für hocheffiziente Strukturen auszuschöpfen. Hierzu wurden ein angepasstes Verfahren zur Fertigung und neue Simulationswerkzeuge zur Planung für Architekten und Ingenieure entwickelt. Die entwickelten Methoden dienten als Grundlage eines im Sommer 2012 umgesetzten Versuchsbaus auf dem Campus der Universität Stuttgart und konnten dadurch erprobt und verifiziert werden. Die Strukturlogik des semitransparenten Pavillons wurde durch die räumliche Anordnung von Carbon- und Glasfasern definiert. Er hatte bei einer Spannweite von 8 m nur eine durchschnittliche Bauteildicke von 4, 6 mm und wog trotz seiner beachtlichen Größe weniger als 320 kg.

Bio-inspired fibre composite structures - principles for fabrication and design
The request of free-form surface generation strategies in architecture and industrial design is ever more increasing. For complex-shaped structures, fibre-based materials are often an obvious choice as they offer numerous advantages compared to traditional building materials and techniques. However, the usage of these materials in the construction field is still limited. Moreover, the design and simulation of fibre-based materials is still a very challenging topic. For these reasons the authors developed an innovative, bionic-inspired and multidisciplinary approach which allows the exploitation of the material potential to create highly efficient structures. Following this purpose, an integrated methodology for the simulation and manufacturing process was conceived for the architects and engineers. The developed methods were the basis for a prototype realized on the campus of the University of Stuttgart in the summer 2012, allowing the testing and proof of the proposed approach. The semi-transparent pavilion spanned 8 m for a thickness of only 4.6 mm and weighed, despite its considerable size, less than 320 kg.

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