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Beim Planen, Bauen und Betreiben von Verkehrswasserbauwerken sind Bestandspläne von großer Bedeutung. Gerade für Instandsetzungen oder Ersatzneubauten, die im Wasserbau einen Großteil der Baumaßnahmen darstellen, beinhalten sie zentrale Informationen u. a. zur Konstruktion der bestehenden Bauwerke. Die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) hat Anfang des Jahrtausends daher alle Pläne mit hohem Aufwand digitalisiert. In dem Digitalisierungsprozess wurden aus technischen Gründen etwa 35.000 Dokumente in Teilaufnahmen (TA) zerstückelt, was deren Übergabe und Nutzung erheblich stört. Diese, im Rahmen eines FuE-Projekts der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) entstandene, Arbeit zeigt, dass mit Image Stitching, einer Methode aus dem Bereich des computerbasierten Sehens (Computer Vision), die Pläne zum Großteil automatisiert zusammengeführt werden können. Mit einem merkmalsbasierten Ansatz werden dafür die Zusammenhänge zwischen den einzelnen TA modelliert und diese in einer gemeinsamen Bildebene aneinander ausgerichtet. Beim Zusammenfügen zu einem Gesamtplan wird mit einer nahtbasierten Methode sichergestellt, dass die Elemente im Plan möglichst am Stück erhalten bleiben. Es wird gezeigt, wie mit innovativen Methoden die Gesamtqualität des Baubestandswerks der WSV automatisiert verbessert werden kann und diskutiert, wie weitere Techniken aus dem Bereich der Computer Vision eingesetzt werden können, um die Ergebnisse noch weiter zu verbessern.

Automatic stitching of fragmented construction plans of hydraulic structures
Inventory plans are of great importance during planning, construction and operation of hydraulic structures. Particularly for repairs or replacements, which represent a large part of the construction measures in hydraulic engineering, they contain central information on the construction of the existing structures. At the beginning of the millennium, the German Federal Waterways and Shipping Administration (WSV) therefore digitized all plans at great expense. In the digitization process, about 35,000 documents were fragmented into partial images for technical reasons, which significantly disturb their transfer and use. This work, which is a result of a R&D-project of the Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW), shows that with image stitching, a method from the field of computer vision, the plans can be stitched automatically for the most part. Using a feature-based approach, the relationships between the individual fragments are modeled and aligned in a common image plane. When merging to an overall plan, a seam-based method ensures that the elements in the plan are preserved. It is shown how innovative methods can be used to improve the overall quality of the WSV's inventory documents in an automated manner, and it is discussed how further techniques from the field of computer vision can be used to improve the results even further.

Im Zusammenhang mit der Planung von Instandhaltungsmaßnahmen an Bauwerken der Bundeswasserstraßen stellt das BAWMerkblatt “Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Verschlüsse im Stahlwasserbau (TbVS)” ein Verfahren zur Verfügung, das anhand einer Robustheitsbewertung Informationen über die Tragsicherheit und das Tragverhalten von beschädigten Stahlwasserbauten liefert. Kennzahl der Robustheitsbewertung ist die Traglast des Tragwerks. Der Beitrag stellt den Analyseablauf vor, mit dem im Rahmen der Robustheitsbewertung die Traglast für die gängigen Tragsysteme von stählernen Wehrverschlüssen mittels numerischer Verfahren berechnet wird. Nach einer Einführung zur Notwendigkeit von Robustheitsbewertungen für die bestehenden stählernen Verschlussorgane der Bundeswasserstraßen und der Erläuterung des zugrunde liegenden Sicherheitskonzepts folgt die Beschreibung des Analyseablaufs für die numerische Ermittlung der Traglast und ihrer Plausibilisierung. Zur Quantifizierung der Robustheitsbewertung wird der Schädigungsgrad D eingeführt. Drei Beispiele an jeweils unterschiedlichen Tragsystemen verdeutlichen anschließend das schrittweise Vorgehen bei der Traglastanalyse und der Berechnung des Schädigungsgrads. Die abschließende Zusammenfassung zeigt die Bedeutung des Verfahrens für die bauwerksübergreifende Instandhaltungsplanung auf.

Ultimate load analyses in the framework of a robustness assessment of existing hydraulic steel structures
In context with the planning of maintenance measures on structures of the Federal Waterways, the publication BAWMerkblatt “Bewertung der Tragfähigkeit bestehender Verschlüsse im Stahlwasserbau (TbVS)” offers a procedure that uses a robustness assessment to provide information on the structural safety and the load-bearing behaviour of damaged hydraulic steel structures. The key figure of the robustness assessment is the ultimate load of the structure. The article presents the numerical analysis procedure within the framework of the robustness assessment that is used to calculate the ultimate load for the common structural systems of steel weir gates. After an introduction about the necessity of robustness assessments for the existing closing devices used in the German federal waterways and the explanation of the underlying safety concept, the analysis procedure for the numerical determination of the ultimate load is described. The degree of damage D is introduced to quantify the outcome of the robustness assessment. Three examples of different structural systems then illustrate the step-by-step procedure for the determination of the ultimate load and the calculation of the degree of damage. The final summary shows the importance of the procedure for maintenance planning across multiple structures.

Wasserbauwerke erfahren hohe Beanspruchungen im Wesentlichen infolge Horizontallasten aus Erd- sowie Wasserdruck. Folglich kommt dem Nachweis gegenüber “Gleiten in der Arbeitsfuge” gemäß DIN EN 1992-1-1:2011-01 bei der Bewertung der Standsicherheit v. a. unbewehrter Beton- und Mauerwerkskonstruktionen eine besondere Rolle zu. In den gültigen Berechnungsformeln hierzu bleiben jedoch, insbesondere bei der Annahme der Reibungskoeffizienten, die speziellen Verhältnisse im Verkehrswasserbau unberücksichtigt. Daher befasst sich die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) seit einigen Jahren mit der Sicherstellung versuchstechnischer Grundlagen sowie der Festlegung erforderlicher Randbedingungen zur Bestimmung belastbarer, wasserbauspezifischer Reibungsbeiwerte zum Führen statischer Sicherheitsnachweise. Gleichzeitig fokussieren gezielte Forschungstätigkeiten auf die Herleitung geeigneter Modellmäßigkeiten zur Beschreibung des realitätsnahen Scherwiderstands unbewehrter Wasserbauwerke. Der Beitrag resümiert den aktuellen Erkenntnisstand zum Schertragverhalten in Betonier- bzw. Arbeitsfugen unbewehrter Beton- sowie in Mauerwerksbauten der Bundeswasserstraßen und gibt einen Ausblick auf anvisierte Untersuchungsaspekte. Sowohl Vorgehensweise als auch erarbeitete Auswertungsmethodik der Rahmenscherversuche lassen sich auf verkehrsträger- sowie fachbereichsübergreifende Anwendungen für Neu- und Bestandsbauten sowie für Instandsetzung von Bauwerken übertragen.

Shear-friction behavior in construction joints: status quo of BAW research and first applications to concrete buildings
Hydraulic structures are subjected to high stresses mainly from horizontal loads from earth and water pressure. Consequently, the verification against “sliding in the construction joint” according to DIN EN 1992-1-1:2011-01 plays a special role in the assessment of the stability of plain concrete and masonry structures. However, currently valid constitutive laws disregard the special conditions in hydraulic engineering, specifically for assuming the coefficients of friction. For this reason, the Federal Waterways Engineering and Research Institute (Bundesanstalt für Wasserbau, BAW) has been working for the past few years on the development of experimental methods and on the definition of the necessary boundary conditions to determine reliable, dependable specific friction coefficients for hydraulic engineering constructions with the aim of performance stability structure analyses. At the same time, targeted research activities are focused on the derivation of suitable constitutive laws for the description of the realistic shear-friction resistance of plain concrete hydraulic structures. The article summarizes the current state of knowledge on the shear-friction behavior in cold and construction joints of plain concrete and masonry structures of federal waterways and gives an outlook on planned research aspects. Both the approach and the developed evaluation methodology of the shear tests can be transferred to applications for new and existing structures as well as for the repair of structures across all transport modes and disciplines.

An der historischen Kanalbrücke Minden wurden im Rahmen planmäßiger Zustandsuntersuchungen stellenweise Korrosionserscheinungen an den über 100 Jahre alten, schwer zugänglichen Gelenken der tragenden Bogenkonstruktionen festgestellt. Um einordnen zu können, welchen Einfluss eine eventuelle Schädigung der Gelenke auf das Trag- und Verformungsverhalten des Bauwerks hat, werden parallel zu einer Zustandserfassung sowohl numerische als auch messtechnische Untersuchungen der Kanalbrücke durchgeführt. In einem numerischen Modell wird das planmäßige Trag- und Verformungsverhalten analysiert und qualitativ erfasst. Die gewonnenen Erkenntnisse werden mit im Rahmen der Bauwerksinspektion erhobenen Messdaten sowie mit 3D-Laserscanmessungen verglichen und validiert. Die durchgeführten und geplanten Untersuchungen werden im Beitrag erläutert und der aktuelle Sachstand sowie bisherige Erkenntnisse vorgestellt.

Structural investigations on the historic Minden canal bridge
This article summarizes the structural investigations necessitated by a routine condition inspection of the historic canal bridge in Minden. The load-bearing arches of the bridge are over 100 years old and difficult to access, and some of their joints show signs of corrosion. The influence of possible joint damage on the load-bearing and deformation behavior of the bridge will be determined via numerical and metrological investigations and a condition survey. The numerical models will be calibrated using data from the inspection and from additional three-dimensional laser scan measurements. The investigations carried out and planned are explained in the report and the current state of affairs and previous findings are presented.

Die Wehranlage Geesthacht befindet sich etwa 140 km oberhalb der Elbmündung und wurde in den Jahren 1957-1960 als Bestandteil der Staustufe Geesthacht errichtet. Die Wehranlage staut den Mittellauf der Elbe auf das für die Schifffahrt erforderliche Niveau und bildet die Grenze der Tideelbe. Auf Grundlage umfangreicher Zustandsuntersuchungen am Bauwerksbestand erfolgte eine Voruntersuchung für die Grundinstandsetzung und darauf aufbauend wurde der Entwurf für ein ausgewähltes Wehrfeld ausgearbeitet. Derzeit werden weitergehende hydraulische Untersuchungen durchgeführt. Im nächsten Schritt soll die Grundinstandsetzung für alle Wehrfelder ausgearbeitet werden. Parallel zu den genannten Untersuchungen der Wehrfelder erfolgte die Grundinstandsetzungsplanung für die Ufersicherungsbauten am Südufer der Wehranlage. In diesem Bereich befindet sich auch der Hauptzulauf, über den die Sektoren aller vier Wehrfelder gesteuert werden. Aufgrund der festgestellten erheblichen Defizite wurde entschieden, die erforderliche Erneuerung der Uferwände und den Neubau des Hauptzulaufs im Vorwege der Grundinstandsetzung der Wehrfelder durchzuführen. Die Ersatzneubauten waren so zu konzipieren, dass bisherige Anlagendefizite beim Hauptzulauf behoben werden und dass für den angrenzenden Fischaufstieg spätere Anpassungen zur Verbesserung der ökologischen Durchgängigkeit möglich sind.

Major overhaul of the Geesthacht weir on the river Elbe
The Geesthacht weir is located about 140 km upstream from the mouth of river Elbe and was built between 1957 and 1960 as part of the Geesthacht barrage. The facility consists of four adjustible weir sections and a fixed spillover. The weir system dams the upstream River Elbe to the navigable level and builds concurrently the boundary of the tidal influence downstream. A preliminary investigation for the major overhaul was carried out based on an extensive inspection of the existing structural condition. Based on this, a design for a single weir section was developed. Currently further hydraulic studies are being carried out. The next step is to determine the major overhaul measures for the complete facility. In parallel with the above-mentioned evaluations, the design for restoration of the waterfront structures on the south bank of the weir was carried out. The main inlet for the lock control is also located in this area. Due to substainal structural issues, a renewal of the riverbank retaining walls and the main inlet has to be carried out in advance of the major overhaul measures of the weir itself. The necessary tasks have to be carried out in a way that previous deficits in the main inlet are eliminated and adjustments of the adjacent fishpass are possible.

Der Neubau der 5. Schleusenkammer in Brunsbüttel ist die derzeitig größte Wasserbaustelle Europas und erforderlich, um nachfolgend die bestehenden großen Schleusenkammern instand setzen zu können. Eine Nutzen-Kosten-Analyse ergab den höchsten Nutzwert für den Neubau zwischen den bestehenden großen und kleinen Schleusen, d. h. auf der Schleuseninsel. Durch die Insellage der Baustelle ergeben sich besondere Anforderungen an den Baubetrieb. Generell muss eine Vielzahl von Gewerken koordiniert werden, die u. a. für die Herstellung der tiefen Baugruben, der beton- und stahlbautechnischen Konstruktion der Häupter, der Kammer für seegängige Schiffe und der Vorhäfen erforderlich sind. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass die Baustelle an der Elbmündung liegt und somit auf Sturmfluten vorbereitet sein muss. Auf diese besonderen Randbedingungen der Baumaßnahme und auf ausgewählte Bauverfahren wird beispielhaft eingegangen. Ein besonderes Augenmerk des Beitrags liegt zudem auf den umfangreichen betontechnologischen Betrachtungen zur Erzielung dauerhafter Massivbaustrukturen. Bei der Entwicklung der Betonrezepturen waren neben der Minimierung von Rissbreiten in massigen Bauteilen Einwirkungen wie Frost- und Chloridangriff zu berücksichtigen. Die zeitweise eingeschränkte Verfügbarkeit von Flugasche gestaltete diese Aufgabe noch komplexer. Zur weiteren Verbesserung der Dauerhaftigkeit wurden in besonders exponierten Bauwerksbereichen wasserabführende Schalungsbahnen eingesetzt.

A look at the challenges of building the 5th lock chamber in Brunsbüttel
The new construction of the 5th lock chamber in Brunsbüttel is currently the largest hydraulic construction site in Europe and is necessary in order to be able to subsequently repair the existing large lock chambers. A benefit-cost analysis showed the highest benefit value for the new construction between the existing large and small locks, i. e. on the lock island. The location of the construction site results in special requirements for construction operations. In general, a large number of crafts have to be coordinated, which are necessary e. g. for the concrete and steel construction of the heads, the chamber for seagoing vessels and the outer harbours. Furthermore, it has to be taken into account, that the construction site is located at the estuary of the Elbe and thus has to be prepared for storm surges. These special boundary conditions of the construction project and selected construction methods are discussed by way of example. A special focus of the article is also on the extensive concrete technology considerations for achieving durable concrete structures. In addition to minimising crack widths in massive concrete elements, other aspects such as resistance against frost and chloride attack had to be considered for developing the concrete composition. The temporarily limited availability of fly ash made this task even more complex. In order to further improve durability, controlled permeability formwork liners were used in parts of the structure with sever exposure.

In den vergangenen Jahren ist ein erhebliches Größenwachstum im Bereich der Großcontainerschiffe (ULCVs) zu beobachten. Durch das Liegen dieser Schiffe mit Windangriffsflächen von bis zu 18.000 m2 an den bestehenden Kaianlagen kann es bei Starkwindsituationen zu Überlastungen der Poller- und Fendersysteme als auch der schiffsseitigen Vertäueinrichtungen kommen. Mit dem Wissen, dass statische Vertäuberechnungen zukünftig zur Beurteilung der Anforderungen an Kaimauern sowie der Vertäueinrichtungen der ULCVs nicht mehr ausreichen, hat die HPA (Hamburg Port Authority) mit externen Partnern die Entwicklung eines cloudbasierten IT-System für dynamische Vertäuanalysen vorangetrieben. Neben der Softwareentwicklung wurde von der HPA das Pollerzugversuchsprogramm entwickelt. Ziel war es, durch unterschiedliche Probebelastungen Grundlagenforschung an existierenden Pollern zu betreiben. Beteiligungen an Ausschüssen der EAU und Arbeitsgruppen der PIANC gehören ebenso dazu wie das internationale JIP-Projekt WINDLASS, in dem die HPA gemeinsam mit Rotterdam und Antwerpen involviert ist. In dem JIP sollen Grundlagen zu lokalen Windfeldern im Hafen ermittelt werden und bei der Beurteilung von Starkwindsituationen unterstützen. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung und den Einsatz des Vertäuprogramms sowohl im Bereich der Großcontainerschiffe als auch zukünftig bei Kreuzfahrtschiffen, RoRo-Schiffen, Bulkern, aber auch Hafenplanungen kann das Sicherheitsniveau im Hamburger Hafen weiter erhöht werden.

The mooring program for the port of Hamburg
Recent years have witnessed a considerable growth in size of ultra large container vessels (ULCVs). Due to the berthing of these vessels with wind-exposed areas of up to 18,000 m2 at the existing quay facilities, strong wind situations can lead to an overload of the bollard and fender systems as well as to the ship-side mooring equipment. Knowing that the static mooring calculations will no longer be sufficient to assess the requirements of quay walls and the mooring systems of ULCVs, HPA (Hamburg Port Authority) and some external partners have promoted the development of a cloud-based IT-system for dynamic mooring analyses. In addition to the software development, HPA has developed a bollard pull test programme. The aim was to conduct basic research on existing bollards through different load tests. This work covered participations in EAU committees and PIANC working groups as well as the international JIP WINDLASS project, where HPA as well as the ports of Rotterdam and Antwerp were involved. The JIP-project aims to determine the basics of the local wind fields in the port and to support the assessment of strong wind situations. Through the continuous development and use of the mooring programme, the level of safety in the Port of Hamburg can be further increased, both in the area of large container ships and in the future for cruise ships, but also ro-ro vessels, bulkers and port planning.

Mit Einführung der neuen Verwaltungsvorschrift VV-WSV 2101 Bauwerksinspektion wird das Inspektionsregime der Bundeswasserstraßen feiner abgestimmt. Neuerdings in Inspektionskategorie B eingruppierte Bauwerke weisen zwar grundsätzlich ein besonderes Gefährdungspotenzial im Hinblick auf die zu gewährleistende Verkehrssicherheit auf, sind aber bautechnisch nicht so komplex, als dass es bei ihnen - im Unterschied zur Inspektionskategorie A - einer Bauwerksprüfung durch sachkundige Ingenieure bedarf. Hier wird zukünftig eine Bauwerksüberwachung erforderlich. Das zugehörige, neu erarbeitete BAWMerkblatt Schadensbewertung an Verkehrswasserbauwerken der Inspektionskategorie B (MSV-B) gruppiert die betrachteten Bauwerke und gibt Vorgaben für die systematische Erfassung und Bewertung von Schäden an diesen. Mithilfe einer weitgehenden Standardisierung bedient das Merkblatt sowohl die Anforderungen an eine effiziente Datenerhebung vor Ort als auch an die Dokumentation der Ergebnisse im Programmsystem des Infrastrukturmanagements, WSVPruf. Nach eng konzertierter Entwicklung und Ausarbeitung in 2021, innerhalb der Verwaltung verteilt angelegter Qualitätssicherung und breit gestreuter Schulung mittels digitaler E-Learning-Formate wurde das Merkblatt im März 2022 eingeführt.

New BAW bulletin on structure monitoring - sustainable infrastructure management on federal waterways
The introduction of the new administrative regulation VV-WSV 2101 Inspection of Structures adjusts inspection regime of federal waterways be more finely. Structures that have recently been classified in Inspection Category B do in principle have a special hazard potential with regard to the traffic safety to be ensured, but they are not so complex from a structural engineering point of view that they require - in contrast to Inspection Category A - a structural inspection by expert engineers. In this case, structural monitoring will be required in the future. The associated, newly developed BAW bulletin Damage Assessment on Waterway Structures of Inspection Category B (MSV-B) groups the structures under consideration and provides guidelines for the systematic recording and assessment of damage to them. With the help of extensive standardization, the bulletin meets the requirements for efficient data collection on site as well as for the documentation of the results in the WSVPruf software for maintenance management. After closely concerted development and elaboration in 2021, quality assurance distributed within the administration, and widely distributed training by means of digital e-learning formats, the bulletin was introduced in March 2022.

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Nachrichten:
Ernst & Sohn Ingenieurbaupreis 2022: Übergabe der Siegerplakette & Veröffentlichung der Dokumentation
Zum 225. Geburtstag von Gotthilf Hagen
Call for experts zur Überarbeitung der Norm DIN 19700, “Stauanlagen”, Teile 10 und 11

Rezensionen:
non nobis - über das Bauen in der Zukunft

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Zum Titelbild:
Das neue Forum St. Heribert in Köln-Deutz steht für eine architektonische Ästhetik des Ehrlichen und Authentischen ein, die auch Nachhaltigkeit garantiert. Kastner Pichler Architekten setzten dafür die Gebäudehülle aus Liapor-Leichtbeton in 50 cm Stärke ein. Wie das Material dem bereits mehrfach ausgezeichnete Gebäude in lupenreiner Sichtbetonqualität im Inneren auch zu einem sehr ausgeglichen Raumklima und zu kontemplativer Atmosphäre verhilft.

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Betonfertigteile müssen Toleranzen einhalten, um sie montieren zu können und Tragfähigkeit sowie Gebrauchstauglichkeit sicherzustellen. Ansonsten sind Nachbearbeitungen nötig, die den Bauprozess verzögern. Klassischer Toleranzausgleich erfolgt über Pressfugen, die auch die nötigen Kräfte übertragen. Bei modularen Bauweisen steht die Schnellmontage im Vordergrund. Es bieten sich dann Schnellverbinder wie etwa Schrauben oder Trockenfugen an. Aus der feineren Modulteilung entstehen zudem weit mehr Verbindungen, sodass sich Ungenauigkeiten superponieren. Die Anforderungen an die geometrische Genauigkeit steigen rapide. Im Beitrag werden die Herstelltoleranzen für automatisierte Fertigungen seriengerechter Module zusammengestellt und dem Stand der Technik gegenübergestellt. Für ausgewählte Modultypen werden Abweichungen mittels Fehlerfortpflanzung nachverfolgt und für einzelne Bauabschnitte bzw. ganze Tragwerke überlagert. Es zeigt sich, dass in der Regel automatisierte Fertigungen nötig sind und handwerkliche ausscheiden. Linienartige Modultragwerke erreichen bis etwa 30 m Länge Abweichungen unter 1 mm bei gängigem Zuverlässigkeitsniveau von 2&sgr;. Bei scheibenartigen Tragwerken resultieren Lochspiele unter 0,5 mm, und zwar für hohe Zuverlässigkeitsniveaus von 4&sgr;. Dies gelingt in qualitätsgesicherter, automatisierter Vorfertigung.

Production tolerances of precast concrete components for modular construction
Precast concrete components must comply with tolerances to be able to assemble them and to ensure sufficient load-bearing capacity and serviceability. Otherwise, rework is necessary, which delays the construction process. Conventional compensation of tolerance is achieved by means of press joints, which can transmit the necessary forces. Modular construction methods aim at rapid assembly. Thus, quick connectors such as screws or dry joints are preferred. The finer module segmentation also results in far more connections, so that inaccuracies are superimposed. Thus the need for geometric accuracy is increasing rapidly. The article compiles the production tolerances for automated fabrication of modules in series and compares them with the state of the art. For certain module types, deviations are tracked by means of error propagation and superimposed for individual construction sections or entire structures. By comparison, it turns out that automated production is necessary and handcrafting is out of the question. Line-like modular structures achieve deviations of less than 1 mm up to about 30 m of length with a common reliability level of 2&sgr;. For deep beam-type structures, hole clearances of less than 0.5 mm result, for higher reliability levels of 4&sgr;. This is achieved in quality-assured, automated prefabrication.

Modulares Bauen bietet gegenüber der Ortbetonbauweise ökonomische Vorteile. Die Module können qualitätsgesichert im Werk vorgefertigt und vor Ort montiert werden. Um eine störungsfreie Montage der Module zu ermöglichen, ist eine Tolerierung erforderlich, die die mehrdimensionale Aggregation von Maßabweichungen der Module in komplexen Tragwerken berücksichtigt. Eindimensionale arithmetische und statistische Methoden sind dafür nur bedingt geeignet. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode entwickelt, die modulare Wabenstrukturen mittels direkter Kinematik modelliert und sowohl translatorische als auch rotatorische Lageabweichungen berücksichtigt, die aus Maßabweichungen von Y-förmigen Modulen infolge Schwindverformungen entstehen. Für ausgewählte Szenarien hinsichtlich Tragwerksgröße und verwendetem Beton werden damit die zur Verbindung der Module notwendigen Lochspiele und Gesamtabweichungen hergeleitet und mit den im Bauwesen gängigen Verfahren des Toleranzmanagements untersucht. Die geometrischen Abweichungen in horizontaler Richtung infolge der Schwinddehnungen unterschiedlicher Betone werden von den normativen Methoden z. T. unterschätzt, da keine Rotationen der Module berücksichtigt werden. Vertikale Abweichungen werden hingegen konservativ abgeschätzt. Die erforderlichen Nennlochspiele steigen mit zunehmender Strukturgröße, sodass Abmessungen von ca. 30 m des klassischen Hochbaus mit normalen Schraubverbindungen &Dgr;d ≤ 3 mm assembliert werden können.

Accuracy limits of modular concrete structures - Part 1: Description of geometric deviations due to shrinkage
Modular construction offers economic advantages over in-situ concrete construction. Modules can be prefabricated quality-assured in factories and just be assembled on site. To enable undisturbed assembly, tolerance is essential that takes into account the multidimensional accumulation of dimensional deviations of the modules in complex structures. One-dimensional arithmetic and statistical methods are only conditionally suited for this purpose. In this work, a method is developed to model modular honeycomb structures by direct kinematics that accounts for both translational and rotational deviations in position caused by dimensional variations of Y-shaped modules due to shrinkage deformations. With this method and for selected scenarios differing in structural size and concrete, the hole clearances and total deviations necessary to connect the modules are derived and investigated with tolerance management procedures commonly applied in civil engineering. Horizontal geometric deviations due to concrete-dependent shrinkage strains are partly underestimated by the methods in nowadays standards that neglect module rotations throughout. Vertical deviations, in contrast, are estimated conservatively with these. The nominal hole clearances required increase with the size of the structure, so that dimensions of approx. 30 m of conventional buildings can still be assembled with standard bolted connections &Dgr;d ≤ 3 mm.

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Der Beitrag behandelt die Montage von modulartigen Betonfertigteilen mit Fachwerkknoten aus Stahl. Dazu werden Wabenstrukturen betrachtet, die aus vielen Fertigteilen mit Y-Form bestehen. Der Beitrag baut auf der für die Wabenstrukturen im Teil 1 abgeleiteten Bewegungskinematik zwischen den einzelnen Modulen auf, wobei Schwinddehnungen Verformungen in den Modularmen erzeugen. Für die Montage werden Schraubenverbindungen betrachtet, die entweder klassisches Lochspiel besitzen oder gleitfest fixiert werden. Bei Letzterem kompensiert ein Ausrichten vor dem Fixieren einen Teil von Abweichungen. Die Zuverlässigkeit der Montage wird mit probabilistischen Methoden auf Grundlage von Monte-Carlo-Simulationen überprüft. Es zeigt sich, dass reine Lochleibungsverbindungen nur für sehr wenige zu kombinierende Module geeignet sind. Gleitfeste Verbindungen mit kompensatorischem Ausrichten sind mit einem Konfidenzintervall vierfacher Standardabweichung geeignet, Wabenstrukturen bis ca. 60 m Höhe und Breite zuverlässig zusammenzusetzen.

Accuracy limits of modular concrete structures - Part 2: Probabilistic evaluation of assembling with bolted connection
The paper treats the assembling of modular precast concrete elements with steel-made truss nodes. Honeycomb structures are considered, which consist of several Y-shaped precast elements. The paper extends the direct kinematics between modules for honeycomb structures derived in Part 1, where shrinkage strains induce deformations into the modules. For the assembly, bolted connections are considered, which either have standard hole clearance or enough friction strength. In the latter case, strict alignment before fixing compensates for some of the deviations. The reliability of the assembling is checked via probabilistic methods based on Monte Carlo simulation. It is shown that connections purely based on hole bearing resistances are just suited to combine few modules. Bolted connections with enough friction strength and compensatory pre-alignment have confidence intervals of four times the standard deviation and thus are suited to reliably assemble honeycomb structures up to approx. 60 m in height and width.

Eine präzise, adaptive und individuelle Fertigung ermöglicht einen hohen Grad an Bauteildifferenzierung, die somit hocheffiziente und lastadaptierte Strukturen für den Betonfertigteilbau zugänglich macht. Während Fortschritte von Fertigungsseite durch zahlreiche Projekte in Forschung und Industrie demonstriert werden, so sind zugehörige Planungswerkzeuge weniger entwickelt. Um das volle Potenzial digitaler Fertigungsprozesse nutzen zu können, sind daher computerbasierte Methoden erforderlich, welche die flexible Anpassung von Bauteilgeometrien erlauben und eine fertigungsgerechte Planung ermöglichen. Die Modularisierung von Betonstrukturen muss den Anforderungen sowohl von Seiten der Tragfähigkeit wie auch der Fertigung gerecht werden. Planungswerkzeuge müssen diese Komplexität abbilden können. Simulationsbasierte Methoden, welche modularisierte Baustrukturen als komplexes System bauteilspezifischer Wechselwirkungen abbilden, bieten die Möglichkeit, bereits früh die Konsequenzen von Entwurfs- und Planungsentscheidungen abschätzen zu können. Dieser Beitrag zeigt einen agentenbasierten Planungsansatz auf, welcher insbesondere die additive Fertigung von Schalungen als Ergänzung bestehender Produktionskonzepte berücksichtigt. Die geometrischen Grundlagen für die simulationsbasierte Zerlegung von Bauteilen werden dargestellt und in einen durchgehenden Planungsprozess integriert.

Automated modularization for precast elements from additively manufactured formwork
Current developments in research and practice show the expansion of existing production concepts in precast concrete construction through digitally controlled and largely automated manufacturing processes. Precise, adaptive, and individual production enables a high degree of differentiation for building components, making highly efficient and load-adapted structures accessible for precast concrete construction. While progress in fabrication is demonstrated by numerous projects in research and industry, related planning tools are less developed. To exploit the full potential of digital fabrication processes, computational planning methods are required that allow the flexible adaptation of component geometries and enable production-oriented planning. The modularization of concrete structures has to meet multi-criteria requirements both from the point of load-bearing capacity and the fabrication of each individual module. This paper presents an agent-based planning approach, which addresses, in particular, the additive manufacturing of formwork as a complement to existing production concepts. The geometrical basics for the simulation-based decomposition building elements are presented and integrated into a continuous planning process.

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In Zeiten des Klimawandels und zunehmender Ressourcenknappheit wird die Bauindustrie mit der wachsenden Dringlichkeit konfrontiert, Ressourcenverbrauch, Emissionen und Abfälle deutlich zu reduzieren. Die Anwendung von Leichtbaustrategien in Verbindung mit Kreislaufproduktionsprozessen bietet einen ganzheitlichen Ansatz für dieses Problem. In dem folgenden Beitrag wird eine Methode zur abfallfreien Produktion leichter Betonbauteile mittels wiederverwertbarer Sandschalungen präsentiert. Der Einsatz von wasserlöslichen Mischungen in einem Pulverbettdruckverfahren ermöglicht die Herstellung von Schalungen für komplexe und optimierte Betonstrukturen und die Wiederverwendung des Schalungsmaterials in nachfolgenden Produktionszyklen (Bild 1). Die einzelnen Schritte des Verfahrens werden detailliert vorgestellt und am Beispiel der Herstellung eines Betonprototyps mit komplexer räumlicher Struktur illustriert.

Recyclable Sand Formworks - Towards circular production of lightweight concrete structures
In the face of climate change and increasing resource scarcity, the construction industry is confronted with the need to significantly reduce resource consumption, emissions and waste. The application of lightweight construction strategies in combination with circular production processes offers a comprehensive approach to this problem. In the following article, a zero-waste production process of lightweight concrete components using recyclable sand formworks is presented. The powder bed-based 3D-printing of water-soluble material enables the production for geometrically complex and optimized concrete structures and the reuse of formwork material in subsequent production cycles (Fig. 1). The individual steps of the described process are presented in detail and illustrated by the example of the production of a concrete component with a complex spatial structure.

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